Understanding and prediction of flow physics on a boundary layer ingestion air intake for a commercial aircraft

Étude et prédiction des écoulements aérodynamiques sur une entrée d’air de moteur à ingestion de couche limite pour un avion commercial

• Auteur / Autrice : Hector Solorzano Flores
• Direction : Julien Dandois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Centre de Meudon - DAAA- ONERA- Institut Polytechnique de Paris [Meudon]
• Jury : Président / Présidente : Éric Goncalves
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Dandois, Nicolas Gourdain, David MacManus, Olivier Atinault, Arne Seitz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nicolas Gourdain, David MacManus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement de culot (aérodynamique)

Aérodynamique

Mots clés libres

Distortion des écoulements

Contrôle de flux

Aérodynamique

Ingestion de couche limite

Innovations propulsives

Flow Distortion

Flow Control

Aerodynamics

Boundary Layer Ingestion

Propulsive innovations

Résumé

La thèse étudie les phénomènes physiques résultant de l’interaction entre une entrée d’air à ingestion de couche limite (BLI) et le fuselage dans des conditions hors adaption pour un avion commercial. Une géométrie d’entrée d’air BLI enfouie sur une plaque plane est utilisée. L’étude comprend des analyses numériques et expérimentales, caractérisant le comportement du flux stationnaire et instationnaire. La capacité prédictive de divers modèles de turbulence CFD, RANS et hybrides RANS/LES, est évaluée et comparée aux données d’essais en soufflerie. La distorsion du flux au plan d’interface aérodynamique (AIP), le principal inconvénient de l’utilisation d’un moteur BLI, est quantifiée. Différents critères de distorsion utilisés dans l’industrie sont examinés, mettant en évidence leurs forces et leurs faiblesses. Enfin, les résultats de cette thèse fournissent une compréhension approfondie du comportement de l'écoulement pour ce type de configuration, ainsi que du potentiel et des limites des méthodes numériques employées. Les résultats de la thèse peuvent également servir de base pour réfléchir à l’utilisation du contrôle actif des écoulements pour optimiser le bénéfice du concept BLI tout en respectant les multiples contraintes de conception, notamment liées au fonctionnement de l’entrée d’air hors des conditions de croisière et à l’intégration physique du moteur sur l’avion.

The thesis investigates the physical phenomena arising from the interaction between a Boundary Layer Ingestion (BLI) engine intake and the fuselage under off-design conditions for a commercial aircraft. A buried BLI intake geometry on a flat plate is employed. The study involves both numerical and experimental analyses, characterizing the steady and unsteady flow behavior. The predictive capability of various CFD turbulence models, RANS and hybrid RANS/LES, is assessed and compared with wind tunnel test data. The flow distortion at the Aerodynamic Interface Plane (AIP), the main drawback of using a BLI engine, is quantified. Different distortion criteria used in the industry are examined, highlighting their strengths and weaknesses. Finally, the results of this thesis provide a deeper understanding of the flow behavior of this type of configuration, as well as the potential and limitations of the numerical methods applied. The results of the thesis may also serve as a basis for reflection on the use of active flow control to optimize the benefit of the BLI concept while respecting the multiple design constraints, especially related to the engine intake operation outside cruise conditions and the physical integration of the engine on the aircraft.