Étude numérique et analyse physique du morphing électroactif pour des ailes et des profils hydrodynamiques à des écoulements turbulents à nombre de Reynolds élevé

Numerical study and physical analysis of electroactive morphing wings and hydrodynamic profiles at high Reynolds number turbulent flows

• Auteur / Autrice : Nikolaos Simiriotis
• Direction : Marianna Braza, Gilles Harran
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 04/06/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Bonnet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marianna Braza, Michel Trinité, Jean-François Rouchon, Denis Descheemaeker, Damien Szubert
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frank Thiele, Pawel Flaszinski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interaction fluide-structure

Vibrations aléatoires

Turbulence

Métamorphose (animation par ordinateur)

Mots clés libres

Morphing

Contrôle de forme

Turbulence

Instabilité vibratoire

Interaction fluide structure

Morphing

Shape control

Turbulence

Instabilities

Fluid structure interaction

Résumé

La présente thèse étudie par simulation numérique et analyse physique les effets du morphing électroactif pour le design des ailes du futur permettant de réduire l’impact environnemental et d’accroître l’efficacité du transport aérien. La thèse examine les effets du morphing électroactif hybride. Ce concept consiste en une association de diverses classes d’actionneurs électroactifs opérant à des échelles de temps et de longueur multiples, en accord avec la dynamique du spectre turbulent et dans un contexte de bio-inspiration concernant l’actionnement des ailes, ailerons et plumes de grands oiseaux prédateurs. Le morphing électroactif hybride crée des modifications de la turbulence à de multiples échelles dans les zones cisaillées et le sillage proche et crée l’augmentation des performances aérodynamiques par l’action de mécanismes de rétroaction. La thèse effectue des simulations numériques à nombre de Reynolds élevé autour de configurations de profils d’aile et d’ailes d’avion supercritiques dans les régimes du bas subsonique correspondant aux phases du décollage et atterrissage, et transsonique correspondant au vol de croisière. Toutes les simulations sont effectuées par le code NSMB (Navier Stokes MultiBlock), en utilisant des approches de modélisation de la turbulence efficaces, permettant de prédire en accord avec les expériences physiques, le développement d’instabilités et de structures cohérentes gouvernant la dynamique des écoulements. Dans ce contexte, l’approche « Organized Eddy Simulation » (OES) a été employée et améliorée par des concepts de cascade inverse utilisant de la réinjection de la turbulence dans les zones fortement cisaillées. Cette méthode, basée sur un forçage stochastique des équations de transport turbulent a été étendue dans la présente thèse aux trois dimensions et ses bénéfices ont été quantifiés concernant l’évaluation des efforts aérodynamiques et le développement d’instabilités fluide. Les avantages de cette approche, qui a été introduite par ailleurs au sein de la « Detached Eddy Simulation », ont été étudiés concernant la prédiction du tremblement en régime transsonique et de l’interaction choc-couche limite. Les régimes du bas subsonique concernent les écoulements autour de profils et d’ailes de type A320 en configurations statiques et en morphing et sont étudiés en utilisant l’approche de modélisation OES également. Le morphing de la région proche du bord de fuite à l’aide de faibles déformations et de vibrations de fréquences dans le rang de 100-400 Hz a été étudié en synergie avec des résultats expérimentaux du projet Européen H2020 N° 723402 SMS : « Smart Moprhing and Sensing for Aeronautical configurations ». A l’aide d’une étude paramétrique détaillée, il a été mis en évidence que des combinaisons optimales de fréquence-amplitude de ces actionnements fournissent une augmentation drastique de la finesse aérodynamique. Ces effets ont été obtenus à l’aide de manipulation de la dynamique des interfaces « Turbulent - Non Turbulent » (TNT) et des interactions avec les interfaces « Turbulent- Turbulent » (TT). De plus, cette thèse a développé un modèle structural efficace permettant le contrôle de forme par des Alliages à Mémoire de Forme (AMF). Ces actionneurs permettent d’obtenir de grandes déformations à de basses fréquences en appliquant une grande cambrure de l’aile pour augmenter la portance et pour adapter la forme de l’aile aux différentes sollicitations aérodynamiques. La présente thèse propose un modèle efficace pour obtenir des formes-ciblées de configurations aérodynamiques utilisant des AMF embarqués. Un nouvel algorithme robuste a été développé et validé pour prédire la réponse non-linéaire de l’interaction AMF-structure. Cet algorithme a été couplé avec une méthode de prédiction de la structure et des paramètres opérationnels optimaux pour le design, fournissant ainsi des architectures de morphing plus performantes et réduisant l’impact environnemental

The present thesis investigates the effects of electroactive morphing for smart wing designs. Morphing concepts are adopted for future aircraft configurations, targeting increased aerodynamic performance, ``greener'' air vehicles and efficient air transport. Morphing airfoils and wings are investigated by means of numerical simulation and the physical mechanisms of morphing are analyzed. The hybrid, partly bio-inspired electroactive morphing is examined. The hybrid concept entails the combination of different classes of electroactive actuators that yield turbulence modifications at multiple scales when realized simultaneously. Shape Memory Alloys (SMA) providing large-amplitude low-frequency deformations and piezoactuators providing low strains at higher frequency are introduced. High Reynolds number calculations around supercritical wings in low-subsonic and transonic regimes are performed and experimental results are employed for a detailed physical analysis. The flow simulations are carried out using the NSMB (Navier Stokes MultiBlock) solver and efficient turbulence modelling approaches, allowing for a physically correct development of related instabilities and coherent structures. In this context, the Organized Eddy Simulation (OES) approach has been improved to account for upscale energy transfers in strongly sheared flow regions through re-injection of turbulence. This novel approach, based on stochastic forcing of the turbulence transport equations, is extended in the present thesis to threedimensional flows and applied to the study of the transonic flow. The approach is also examined in the context of Detached Eddy Simulations (DES). The stochastic forcing is proven to inhibit excessive turbulence diffusion effects. As a result, the transonic buffet and the Shock Wave Boundary Layer Interaction (SWBLI) are better captured with this approach. An increase of lift and a decrease of drag are obtained and the force predictions are improved as shown through comparisons with experimental results. The stochastic forcing effects can be practically realized with the introduction of higher-frequency vibrations and low-amplitude deformations in the near trailing edge region of wings via piezoactuators. The morphing effects are examined on an A320 wing at a Reynolds number of 1 Million in the low-subsonic regime, corresponding to takeoff/ landing flight phases. The simulations used the OES approach and the analysis employed a large experimental database, obtained in the context of the ``Smart Moprhing and Sensing for Aeronautical configurations'' (SMS) H2020 No 723402 European Research program. It is shown that electroactive morphing has the capacity to enhance the aerodynamic performance through lift increase and drag reduction. The aerodynamic enhancement is obtained as a result of the manipulation of turbulence interfacial dynamics interacting with the structure of the wing. Through an extensive parametric study, optimal frequency-amplitude combinations have been determined, able to increase the lift-to-drag ratio. Furthermore, the present thesis discusses shape control with the use of SMA, introduced to morphing structures inspired by the wings of large-span hunting birds. SMA-based actuators are employed to produce large continuous deformation at low frequencies (order of Hz), adapting the aerodynamic profiles to different flight conditions. The thesis proposes an efficient methodology that allows design smart deformable aeronautical structures, able to achieve pre-defined target shapes. A novel robust algorithm for predicting the nonlinear response of the SMA-structure interaction problem has been developed and validated. The solver is coupled with a method that predicts the optimal structural and operational design parameters to produces safe and ``green'' morphing structures.