Dynamic behavior of an airship in non-homogeneous flows
Comportement dynamique d'un dirigeable en écoulement non homogène
Résumé
The objective of this thesis is to study the aerodynamics of an airship in unsteady and non-homogeneous flow conditions, describing its dynamics through simplified models and fast and efficient computationlal tools.Because of their « lightness », airships are more sensitive to air disturbances. This has a major impact on their controllability and consequently on the sizing of the control surfaces and the propulsion system.Aerodynamic phenomena related to the notion of added masses, which are observed during the relative accelerated motion phases of the airship, are an additional term to be taken into account for the evaluation of the overall aerodynamic stresses. They depend on the density of the fluid, the geometry of the body and the reference frame. Generally, these contributions are neglected in the investigation of « heavy » bodies such as airplanes, since their density is considerably higher that of air. On the contrary, for airships these terms are the same order of magnitude of their mass and their moment of inertia and therefore represent a fundamental aspect to be taken into account to correctly describe their dynamics.Our studies on added masses have been carried out through numerical simulations in potential and viscous flows. A numerical code for the calculation of these terms has been developed in order to obtain in a short time a very accurate estimate on complex configurations (generic body geometries even in the presence of external walls).The presence of perturbations and velocity gradients in the atmosphere causes additional aerodynamic loads that are particularly relevant for airships. These phenomena have been analyzed through unsteady CFD simulations. Subsequently a simplified model, based on stationary results, has been proposed fir the reconstruction of this loads, resulting accurate in prediction the aerodynamic characteristics of the body.Finally, we have proposed a complete model of the airship dynamics that in the future can be analysed and validated through experimental or numerical tests on generic airship configurations in unsteady and perturbed flows.
L’objectif de cette thèse est d’étudier l’aérodynamique d’un dirigeable dans des conditions d’écoulement instationnaires et non homogènes, en décrivant sa dynamique au moyen de modèles simples et d’outils de calcul rapides et efficaces. En raison de leur « légèreté », les dirigeables sont plus sensibles aux perturbations de l’air. Cela a un impact important sur leur contrôlabilité et par conséquent sur le dimensionnement des gouvernes et du système propulsif.Les phénomènes aérodynamiques liés à la notion de masses et inerties ajoutées, qui sont observés pendant les phases de mouvement relatif accéléré du dirigeable, sont un terme supplémentaire à prendre en compte pour l’évaluation des efforts aérodynamiques. Elles dépendent de la densité du fluide, de la géométrie du corps et du repère choisi. Ces contributions sont généralement négligées lors de l’étude de corps « lourds » tels que les avions, car leur densité est nettement supérieure à celle de l’air. Au contraire, pour les dirigeables, ces termes sont du même ordre de grandeur que leur masse et leur moment d’inertie et représentent donc un aspect fondamental à prendre en compte pour décrire correctement leur dynamique.Nos études sur les masses et inerties ajoutées ont été réalisées par des simulations numériques en fluides parfait et visqueux. Un code numérique pour le calcul de ces termes a été développé afin d’obtenir en un temps réduit une estimation très précise sur des configurations complexes (géométries génériques en présence de parois externes).La présence de perturbations et de gradients de vitesse dans l’atmosphère est à l’origine d’efforts aérodynamiques supplémentaires d’importance majeure pour les dirigeables. Ces phénomènes ont été analysés au moyen de simulations numériques CFD instationnaires. Un modèle simplifié de reconstruction des efforts aérodynamiques a été proposé, basé sur des résultats stationnaires, qui permet de prédire avec précision les caractéristiques aérodynamiques du corps.Enfin, nous avons proposé un modèle complet de la dynamique des dirigeables qui, à l’avenir, pourra être analysé et validé par des tests expérimentaux ou numériques sur des configurations génériques de dirigeables dans des écoulements instationnaires et perturbés.
Origine : Version validée par le jury (STAR)