Contrôle de transition laminaire turbulent par aspiration pariétale à travers des matériaux poreux innovants

Laminar turbulent transition control using wall suction through innovative porous material

• Auteur / Autrice : Baptiste Egreteau
• Direction : Fabien Méry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 20/12/2024
• 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 : Office national d'études et recherches aérospatiales (France). Département Multi-Physique pour l'Energétique (2017-....)
• Jury : Président / Présidente : Rémy Dendievel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Méry, Rémy Dendievel, Mathilde Brocq, Julien Weiss, Jean-Philippe Monchoux, Eric Laurendeau, Marc Thomas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathilde Brocq, Julien Weiss

Mots clés

Mots clés contrôlés

Frittage (métallurgie)

Turbulence

Écoulement laminaire

Prototypage rapide

Mots clés libres

Étude expérimentale

Transition laminaire turbulent

Contrôle de transition par aspiration

Matériaux poreux

Frittage flash

Fabrication additive

Experimental study

Laminar turbulent transition

Transition control by suction

Porous material

Spark plasma sintering

Additive manufacturing

Résumé

Cette thèse porte sur le développement et la mise en œuvre de matériaux perméables faits à partir de poudres métalliques pour le contrôle de transition laminaire-turbulent de la couche limite par aspiration pariétale. Cette aspiration, habituellement appliquée à travers des tôles de titane microperforées par laser, a pour but de retarder la transition de la couche limite vers le régime turbulent, et donc de réduire la traînée et ainsi de réduire la consommation de carburant des avions.Deux procédés de fabrication différents ont été utilisés pour fabriquer de nouveaux matériaux poreux : le Spark Plasma Sintering (SPS) et la fusion laser sur lit de poudre (LPBF en anglais). Le SPS est un système de frittage assisté sous champ électrique. Il a été employé en densification partielle avec de la poudre grossière de TA6V afin de contrôler la perméabilité des matériaux via les paramètres de fabrication. Le LPBF est un procédé de fabrication additive. Il a été employé avec de la poudre d’Inconel 718 de deux manières différentes : en concevant des matériaux à structure lattice et en créant du manque de fusion par diminution de l’énergie apportée à la poudre. Ces trois familles de matériaux ont été caractérisées en mesurant leur perméabilité, la rugosité, résistance acoustique et la morphologie de leurs réseaux poreux.La caractérisation des matériaux microporeux faits par SPS et LPBF a montré qu’il était possible de contrôler la perméabilité avec une large gamme de porosités. ’analyse de la morphologie de leurs réseaux poreux a notamment mis en lumière l’anisotrpoie des réseaux poreux. Pour le SPS, cette anisotropie apparait avec une pression de frittage de 20 MPa et est favorable à l’écoulement à travers le matériau. Tandis que pour le LPBF, cette anisotropie est favorable à l’écoulement dans le plan des lits de poudre.Cette caractérisation a permis de comparer leurs performances et choisir le procédé avec les paramètres de fabrication adéquats afin de réaliser un panneau perméable de grandes dimensions. Cette étude d’upscaling a été menée pour le LPBF en manque de fusion ainsi que le SPS, et la fabrication d’un panneau d’aspiration complet a abouti pour ce dernier procédé. Le panneau SPS est plus rugueux qu’une tôle microperforée laser, d’une perméabilité similaire et légèrement moins résistif acoustiquement.Pour étudier la transition de la couche limite dans un écoulement 2D sans gradient de pression, une maquette type plaque plane a été conçue en y intégrant des chambres d’aspiration. Cette maquette a été installée dans la soufflerie de recherche TRIN2, dédiée aux expériences sur la transition. Dans un premier temps, la position de transition sur la plaque plane pour un cas lisse a été déterminée afin d’avoir un cas de référence. Ensuite, une tôle microperforée et le panneau SPS ont été montés successivement. La position de transition a été mesurée pour chacun de ces panneaux avec et sans aspiration. Pour les deux panneaux poreux, la position de transition sans aspiration est avancée par rapport au cas lisse. Pour la tôle microperforée, c’est principalement dû à une condition d’impédance acoustique sur-amplifiant les ondes de Tollmien-Schlichting responsables de la transition. Pour le panneau SPS, la transition est encore plus avancée, principalement à cause de la rugosité de surface. En appliquant l’aspiration pariétale, la position de transition est repoussée de la même distance par rapport à la position sans aspiration pour les deux panneaux.

This thesis focuses on the development and implementation of permeable materials made from metal powders for controlling the laminar-turbulent transition of the boundary layer by wall suction. This suction, usually applied through laser-microperforated titanium sheets, aims to delay the transition of the boundary layer to the turbulent regime, reduce drag and thus reduce aircraft fuel consumption.Two different manufacturing processes have been used to produce new porous materials: Spark Plasma Sintering (SPS) and Laser Powder Bed Fusion (LPBF). SPS is an electric field assisted sintering process. It has been used in partial densification with coarse TA6V powder to control material permeability via manufacturing parameters. LPBF is an additive manufacturing process. It was used with Inconel 718 powder in two different ways: by designing materials with a lattice structure and by creating a lack of fusion by reducing the energy supplied to the powder. These three families of materials were characterised by measuring their permeability, roughness, acoustic resistance and the morphology of their porous networks.The characterisation of microporous materials made by SPS and LPBF showed that it was possible to control permeability with a wide range of porosities. Analysis of the morphology of their porous networks has highlighted the anisotropy of the porous networks. For SPS, this anisotropy appears with a sintering pressure of 20 MPa and is favourable to flow through the material. For LPBF, the anisotropy is favourable to flow in the plane of the powder beds.This characterisation made it possible to compare their performances and choose the process with the appropriate manufacturing parameters in order to produce a large permeable panel. This upscaling study was carried out for the LPBF in the absence of fusion as well as the SPS, and the manufacture of a complete suction panel was completed for the latter process. The SPS panel is rougher than a laser microperforated sheet, with similar permeability and slightly less acoustic resistivity.This characterisation made it possible to compare their performance and choose the process with the appropriate manufacturing parameters to produce a large-scale permeable panel. This upscaling study was carried out for LPBF with a lack of fusion as well as for SPS, and the manufacture of a complete suction panel was completed for the latter process. The SPS panel is rougher than a laser microperforated sheet, of similar permeability and slightly less acoustically resistive.A flat plate-type model incorporating suction chambers was designed to study the transition of the boundary layer in a 2D flow without a pressure gradient. This model was installed in the TRIN2 research wind tunnel, dedicated to experiments on the transition. First, the transition position on the flat plate for a smooth case was determined to have a reference case. Then, a microperforated sheet and the SPS panel were mounted successively. The transition position was measured for each panel with and without suction. For the two porous panels, the transition position without suction was earlier than for the smooth case. For the microperforated sheet, this is mainly due to an acoustic impedance condition that over-amplifies the Tollmien-Schlichting waves responsible for the transition. The transition is even more advanced for the SPS panel, mainly due to the surface roughness. By applying wall suction, the transition position is delayed by the same distance compared with the position without suction for both panels.