Analyse physique de concepts du morphing électroactif pour accroître les performances aérodynamiques des ailes du futur par simulation numérique de haute fidélité et modélisation de la turbulence à nombre de Reynolds élevé

Physical analysis of electroactive morphing concepts for the aerodynamic performance increase of future wing design through high-fidelity numerical simulation and turbulence modelling in high Reynols number

• Auteur / Autrice : Abderahmane Marouf
• Direction : Yannick Hoarau, Marianna Braza
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 15/10/2020
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Henda Djeridi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Darracq, Flavien Billard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yiannis Ventikos, Franck Thiele

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interaction fluide-structure

Tourbillons (mécanique des fluides)

Turbulence de sillage

Métamorphose (animation par ordinateur)

Aérodynamique

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Mécanique des fluides numériques

Aérodynamique

Morphing

Contrôle de forme

Turbulence

Instabilité vibratoire

Sillage

Tourbillons

Interaction fluide structure

Computational fluid mechanics

Aerodynamics

Morphing

Shape control

Turbulence

Vibration

Instabilities

Wake

Fluid structure interaction

Résumé

Cette thèse vise à étudier des concepts pour le design des ailes en morphing à différentes échelles (échelle réduite et proche à l'échelle réelle), en régime subsonique en différentes phases de vol. L'étude a été réalisée à l'aide des simulations numériques haute-fidélité utilisant des modèles de turbulence adaptés capables de capturer le développement des structures cohérentes. Une attention particulière est portée aux mécanismes fondamentaux et à la compréhension physique de l'écoulement autour de l'aile et à leur modification lorsque le morphing est activé. Les concepts de morphing électroactifs sont implémentés dans le solveur Navier Stokes MultiBlock (NSMB) et une étude paramétrique a été réalisée en synergie avec les études expérimentales du projet Smart Morphing and Sensing (SMS). Les concepts de morphing étudiés dans cette thèse concernent les effets de l'actionnement proche du bord de fuite à faible déformations dans une plage de fréquences de (30-400) Hz avec les actionneurs piézoélectriques, ainsi que par une cambrure à grande déformation (similaires aux expériences assurées par les actionneurs Electromécaniques et les Alliages à Mémoire de Forme) et faibles fréquences (de l'ordre 1 Hz) et enfin, en associant les deux, dans le cadre du morphing électroactif hybride. Les prototypes considérés ont été ceux du projet SMS, l'aile à échelle réduite (RS) et le système hypersustentateur à deux éléments à grande échelle (LS) d'une aile A320. Des simulations 2D et 3D ont été réalisées en utilisant l'approche de modélisation de la turbulence "Organised Eddy Simulation" OES et des méthodes hybrides comme la "Detached Eddy Simulation" DES, afin de révéler les structures turbulentes et cohérentes du sillage comme les instabilités de Kelvin Helmholtz et von Kármán conduisant à la création des tourbillons alternés en se basant sur l'analyse spectrale. Ces modèles ont été en mesure de capturer les effets de morphing grâce aux actionnements et de fournir une augmentation des performances aérodynamiques. Il a été démontré que les vibrations optimales du bord de fuite sont capables de supprimer le caractère tridimensionnel du sillage et de conduire à une augmentation de la portance avec +4.28 % et la finesse aérodynamique de +1.61 % sur le prototype RS. Une vibration optimale a été étudiée dans le cas du prototype LS qui a fourni une augmentation de la portance de +0.55 %, ainsi qu'une réduction des sources de bruit proche du bord de fuite de -15 à -20 dB. Le système de cambrure optimale a été étudié pour le prototype LS étant proche de l'échelle réelle, il a conduit à une augmentation de la finesse de +3.26 %. Ces bénéfices ont été étudiés dans le cas d'un avion A320 complet et ont permis une augmentation de CL/CD de +2.24 %. Enfin, l'association simultanée et bio-inspirée de la cambrure et des vibrations du bord de fuite dans le contexte de morphing électroactif hybride, a révélé une diminution de la trainée de -0.71 % et une augmentation de la finesse de + 0.50 % comparé à la cambrure seule. Ces recherches ont été menées dans le programme Européen H2020 N° 723402 du projet SMS.

This thesis aims at investigating efficient concepts for morphing wings design in different scales (reduced and near scale one), in the subsonic regime and at different stages of the flight. The study has been carried out by High-Fidelity numerical simulations using adapted turbulence modelling closures able to sensitise the coherent structures development. A special attention is paid to the fundamental mechanisms and physical understanding of the flow around the wing and their modification when the morphing is activated. Electroactive morphing concepts are implemented in the Navier Stokes MultiBlock (NSMB) solver and a large parametric study concerning the actuation frequencies and amplitudes has been accomplished in a similar way in synergy with the experimental studies in the H2020 European research project SMS, "Smart Morphing and Sensing for aeronautical configurations". The morphing concepts investigated in this thesis concern the effects of near trailing edge actuation and low deformation in the frequency range of (30 - 400) Hz by means of piezoactuators, as well as by high deformation cambering (as in experiments through Electromechanical or Shape Memory Alloys actuations), in low frequency (order of 1Hz) and finally, by associating both, in the context of hybrid electroactive morphing. The considered prototypes have been those of the SMS project, the Reduced scale (RS) and the Large Scale (LS) two element wing-flap high lift prototype of an A320 wing. Two- and three-dimensional simulations were carried out using adopted turbulence modelling approaches as the Organised Eddy Simulation OES model and Hybrid methods as the Detached Eddy Simulation, to reveal the surrounding turbulence and the wake's coherent structures as the Kelvin Helmholtz and von Kármán vortices leading to the alternating vortices in the wake using spectral analysis. These models have been able to capture the morphing effects through the actuations and to provide the aerodynamic performance increase. It has been shown that optimal trailing edge vibrations are able to suppress the three-dimensional motion in the wake and to lead to a lift increase of +4.28 % and lift-to-drag of +1.61 % on the RS prototype. An optimal vibration has been studied in case of the LS high lift prototype and provided a lift increase of +0.55 % together with noise sources reduction past the trailing edge of -15 to -20 dB. An optimal cambering system has been derived and studied for the LS prototype, being near full scale and leading to a lift-to-drag performance of +3.26 %. These benefits have been studied in the case of a full A320 aircraft and provided a +2.24 % lift-to-drag increase. Finally the simultaneous and bio-inspired association of the cambering and the trailing edge vibrations in the hybrid electroactive morphing context, revealed a -0.71 % of drag decrease, leading to a considerable augmentation of lift-to-drag ratio of +0.50 % compared to only cambering. These investigations have been carried out in the H2020 N° 723402 European Research programme SMS project.