Détermination d'une méthodologie de caractérisation des effets d'installation appliquée aux aéronefs propulsés par des moteurs à hélices rapides

Determining of an installation effects predicting methodology applied to aircraftpropelled by high-speed propellers

• Auteur / Autrice : Martin Barry
• Direction : Serge Huberson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance le 06/07/2015
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers)
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Georges Gerolymos
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Serge Huberson, Michel Visonneau, Nicolas Sirvin, Jean-Christophe Boniface, Philippe Beaumier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Devinant, Christophe Corre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Profils aérodynamiques

Aérodynamique

Navier-Stokes, Équations de

Hélices (aéronautique)

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Open rotor contra rotatif

Effets d'installation

Ligne portante

Rans

Couplage

Counter rotating open rotor

Installation effects

Lifting-Line

Rans

Coupling

Résumé

Dans le contexte actuel, l'open-rotor contrarotatif connaît un regain d'intérêt. Cependant, en l'absence de carter extérieur, la prédiction des effets d'installation devient une problématique primordiale du cycle de conception. L'objectif de ces travaux de thèse est de construire une méthode de calcul qui permette à la fois de rendre compte de l'impact du bloc moteur sur la traînée de l'avion et de l'impact de l'installation sur les performances aérodynamiques des hélices. Suite à une étude bibliographique, nous nous sommes orientés vers le couplage des codes ligne portante LPC2 et RANS elsA, développés à l'Onera. La méthode de couplage se base sur la condition de disque d'action et est itérative afin de rendre compte de l'interaction.Dans un second temps, des résultats de calculs instationnaires et d'essais en soufflerie ont été comparés aux résultats fournis par le couplage afin de confirmer que ce dernier rendait bien compte des performances aérodynamiques du moteur en configuration installée. Afin de valider sur un large domaine de calcul, plusieurs configurations ont été utilisées, prenant en compte différentes installations, différentes hélices et plusieurs points de vol.Enfin, nous avons proposé une amélioration de la condition de disque d'action par une modélisation de la turbulence représentant l'impact du passage des hélices sur l'écoulement. En effet, en l'état actuel, cette condition n'est pas en mesure de retranscrire l'impact des hélices sur la turbulence, en particulier sur l'augmentation du taux de turbulence. C'est pourquoi une formulation originale d'un modèle de turbulence, basée sur les travaux de Mr Benay, a été proposée.

The counter rotating open rotor entered a period of renewed interest because of the current circumstances. However, due to the absence of outer casing, predicting the installation's effects became an essential issue of the design process. The objective of this thesis is to elaborate a calculation method able to give the impact of the engine on the aircraft drag as well as the installation impact on the propellers aerodynamic performances. As a result of a literature review, we headed for the coupling of the LPC2 lifting-line code and elsA RANS code, developed by the Onera. The coupling method is based on the actuator disc condition and was made iterative in order to take the interaction into account.In a second phase, results from unsteady simulations and wind tunnel experiments were compared to the coupling results so as to confirm that the later was able to produce the engine's aerodynamic performances under the influence of the installation. In order to validate the coupling on a wide computational domain, multiple configurations were used, taking different installations into account, with different propellers and multiple flight conditions.Finally, an improvement of the actuator disc condition was proposed through a turbulence modeling showing the impact of the blades passages on the flow. Indeed, the actuator disc condition is currently unable to faithfully transpose the propellers impact on the turbulence, especially on the turbulence rate increase. Therefore, an original formulation of a turbulence model was given, based on the works of Mr. Benay.