Analyse éxergétique des aéronefs innovants avec couplage aéro-propulsif

Exergetic analysis of innovative aircrafts with aero-propulsive coupling

• Auteur / Autrice : Miguel Angel Aguirre
• Direction : Xavier Carbonneau, Sébastien Duplaa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 18/02/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département aérodynamique, énergétique et propulsion
• Jury : Président / Présidente : Jacques Borée
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Carbonneau, Sébastien Duplaa, Jacques Borée, Georg Eitelberg, Eric Laurendeau, Andy Turnbull
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Georg Eitelberg, Eric Laurendeau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais en soufflerie aérodynamique

Exergie

Aérodynamique

Mots clés libres

Aérodynamique

Propulsion

Soufflerie

Performance

Exergie

Sillage

Aerodynamics

Propulsion

Wind Tunnel

Performance

Exergy

Wake

Résumé

Ce travail présent le développement d’une formulation exergétique réduite au sillage, adaptée à l’analyse aérodynamique de configurations ayant un fort couplage aéro-propulsif. Cette formulation est basée sur le travail d’Arntz (formulation exergétique utilisant un plan de sondage de taille infinie qui est bien adaptée pour l’analyse des simulations aérodynamique computationnelles par CFD) et combinée avec des méthodes classiques de champ lointain afin de réduire la zone d’étude au sillage. L’intérêt de cette réduction de la zone d’étude est double : d’un part, cela autorise une validation expérimentale de l’étude aéro-propulsif. D’autre part, cette réduction au sillage offre une compréhension très puissante de la physique et permet aussi de décomposer tous les mécanismes de génération de pertes aérodynamique. Ainsi, cette décomposition permet d’établir une comptabilité des phénomènes aéro-propulsifs pour des configurations avion complexes, ayant un fort couplage, ce qui est très outil pour le design d’un avion.La deuxième partie de la thèse vise à récolter des donnés expérimentaux (essais en soufflerie) d’une configuration avion type multifan, ayant un très fort couplage aéro-propulsif. Une maquette simplifiée de cet avion a été testée, tout en réalisant des mesures de sillage par PIV et sonde cinq trous, ainsi que des mesures de balance. Cette base de données a été utilisée pour valider expérimentalement la nouvelle formulation exergétique. Aussi, elle a été utilisé pour établir une modèle aéro-propulsif en utilisant une analyse aérodynamique classique, suivi d’une analyse exergétique complémentaire qui a fourni information de design très outil et qu’aucune méthode existante permet de le faire.

This work presents the development of a wake-reduced exergy formulation suited for the aerodynamic analysis of close-coupled aero-propulsive aircraft configurations. It is based on the original work from Arntz (Exergy formulation requiring an infinite survey plane, that is well suited for the analysis of computational aerodynamic simulations by CFD), combined with several far-field methods in order to reduce the computation region to the wake. The interest behind the wake reduction is twofold: on one hand, it allows an experimental verification of the aero-propulsive assessment by the exergy method (by performing wake measurements in a wing tunnel testing). One the other hand, and even more important, this wake-reduction procedure provides a powerful insight into the physics and allows performing a breakdown of all the loss-generating mechanisms. This deeper breakdown enables a more comprehensive bookkeeping of the aero-propulsive phenomena involved in complex cases, which is key for design purposes.The second part of the PhD work aimed to gather experimental data (wind tunnel testing) of a highly-coupled aero-propulsive configuration: the Multifan aircraft. A simplified model was tested and its wake was measured by PIV and 5HP, along with balance data. Then, an experimental verification of the new wake-reduced formulation was carried out. Finally, the experimental data was exploited to build an aero-propulsive model of this complex configuration by using classical aerodynamic analysis. Then, this model was re-analyzed by using the new wake-reduced exergy formulation, revealing additional key information that couldn’t be obtained by other means, thereby showing the power of the method.