Compréhension physique et simulation numérique avancée du phénomène hélicoptère Tail-Shake

Physical understanding and advanced numerical simulations of the helicopter Tail-Shake phenomenon

• Auteur / Autrice : Miguel Torrente Pardo
• Direction : Michel Costes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 01/04/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales. Département Aérodynamique, Aéroélasticité, Acoustique (DAAA) (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Paola Cinnella
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marilyn J. Smith, Caroline Lienard, Damien Desvigne, Ronan Boisard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Éric Goncalves, Smaïne Kouidri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Turbulence de sillage

Aérodynamique

Hélicoptères

Mots clés libres

Hélicoptères

Phénomène de Tail-Shake

RANS

Simulations CFD

Turbulence

HRLES

SAS

Vorticity Confinement

Helicopters

Tail-Shake phenomenon

RANS

Flow separation

Wake convection

CFD simulations

Turbulence

Vorticity Confinement

Résumé

Le Tail-Shake est un phénomène aéroélastique engendrant des vibrations basse fréquence sur les hélicoptères conventionnels, à cause de l’impact du sillage sur les parties arrières. Le but de ces travaux est de développer une méthodologie numérique permettant la capture des sillages émis par les parties non-tournantes, caractérisés par un contenu spectral large-bande. Deux cas académiques ont servi à valider différentes modélisations de la turbulence: un ellipsoïde allongé et un cylindre sur une plaque plane. Ils ont été choisis car leur écoulement autour présente des similarités à celui autour des parties non-tournantes. Ces études ont permis d'identifier l'approche Scale Adaptive Simulations (SAS) avec le modèle de turbulence DRSM SSG/LRR-ω grâce à la prévision fidèle des décollements rencontrés, et de la convection des sillages soumis à de fortes interactions. La modélisation permet de résoudre les échelles les plus énergétiques de la turbulence comme d’autres les approches hybrides RANS/LES, mais à moindre coût. De même, l'utilisation du schéma Vorticity Confinement (VC) améliore la convection des structures tourbillonnaires, grâce à la réduction de la dissipation introduite par les schémas numériques. La modélisation DRSM-SAS avec et sans VC a ensuite été appliquée à un cas d'hélicoptère réel, mettant en évidence la complexité des sillages impliqués. D'autre part, ces analyses ont démontré la difficulté à prévoir l'apparition du Tail-Shake à partir de l’étude du contenu spectral aux décollements. Enfin, des simulations ont démontré que les essais en soufflerie à échelle 1:10 ne permettent pas de reproduire les décollements et la convection à l'origine du Tail-Shake.

Tail-Shake is an aeroelastic phenomenon generating low-frequency vibrations on conventional helicopters, due to the structural eigenmodes excitation by the wakes impacting its rear parts. The present work is aimed at developing a numerical methodology to predict the complex wakes coming from the non-rotating parts, characterized by a broadband spectral signature, and giving rise to Tail-Shake. Different turbulence-modeling strategies have been assessed using two academic test cases: a prolate spheroid and a finite cylinder on a ground plate. The flow around both configurations presents similarities to the one around non-rotating helicopter parts. The Scale Adaptive Simulation (SAS) approach with the DRSM SSG/LRR-ω turbulence model results in an accurate prediction of flow separation, as well as of the convection of the wakes subject to strong interactions. This methodology relies on a close behavior to the one of classic hybrid RANS/LES methods, solving the most energetic turbulence scales, but at a lower cost. Moreover, the Vorticity Confinement (VC) scheme enhances the eddies convection, by reducing the artificial numerical dissipation of the schemes. The DRSM-SAS with and without VC modeling have then been applied to a real helicopter case. These numerical simulations highlighted the complexity of the wakes involved in Tail-Shake. The analysis has also demonstrated the difficulty of predicting the Tail-Shake phenomenon based on the spectral content at flow separations. Lastly, numerical simulations have shown that 1:10 scaled mock-ups used in wind-tunnel tests do not allow to accurately reproduce flow separations and wakes convection involved in Tail-Shake.