Etude de l’instabilite du tremblement transsonique. evolution depuis des profils bidimensionels aux voilures tridimensionelles

Insight on transonic buffet instability. evolution from two-dimensional aerofoils to three-dimensional swept wings

• Auteur / Autrice : Edoardo Paladini
• Direction : Jean-Christophe Robinet, Denis Sipp
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2015; Soutenance le 03/12/2018
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : DynFluid - Laboratoire de dynamique des fluides

Mots clés

Mots clés libres

Tremblement transsonique

Analyse de stabilité global

Écoulements compressible

Interaction onde de choc couche limite turbulent

Transonic buffet

Global stability analysis

Compressible flow

. shock wave turbulent boundary layer interaction

Résumé

Lors des manœuvres d’un avion à un nombre de Mach de croisière transsonique, l’interaction entre le choc d’extrados et la couche limite se développant sur l’aile peut mener à un décollement en aval du choc. Ce décollement, particulièrement instable, amène des fluctuations de la position du choc et par là même une vibration de l’avion. Comme le niveau de vibration acceptable pour l’avion est limité par des normes de certification, le phénomène de tremblement apparaît donc comme fondamental pour le design de la voilure. Pour améliorer la performance des avions, il est donc nécessaire de mettre au point des méthodes prédictives du tremblement plus précises. Les essais en soufflerie ne sont pas pleinement représentatifs de l’avion et sont la plupart du temps à des nombres de Reynolds trop faibles. Les simulations numériques doivent être effectuées par des approches dites avancées, c'est-à-dire résolvant directement la turbulence. Ces approches ne sont toujours pas pleinement mises au point et restent inabordables en termes de coût de calcul pour les conditions du vol. Les simulations RANS, classiques et peu chères, ne permettent pas l’accès aux instabilités à l’origine du phénomène. Au final, à l’heure actuelle, seuls les essais en vol, trop tardifs pour la conception et extrêmement chers, permettent de vérifier la bonne conception de la voilure pour ce phénomène. Enfin, les mécanismes instationnaires du tremblement ne sont pas encore pleinement compris, tout spécialement pour les écoulements tridimensionnels. Ces dernières années, de nombreuses bases de données expérimentales dédiées au tremblement, tant bidimensionnelles que tridimensionnelles, ont été acquises à l’Onera et en dehors. Une caractérisation précise des conditions d'apparition du tremblement a donc été réalisée mais aucune étude approfondie systématique n’a été menée de manière à mieux comprendre les mécanismes générant les charges dynamiques sur la voilure. Il s’agira donc dans un premier temps d’approfondir la compréhension de ce phénomène à travers l’analyse de ces bases de données. En parallèle, des méthodes numériques CFD à turbulence résolue RANS/LES mises au point dans le département (approche ZDES) permettent de réaliser un nombre très limité de simulations de par leurs coûts CPU très importants mais autorisent une compréhension très fine et complète des phénomènes et notamment de la dynamique instationnaire du tremblement, mais à un nombre de Reynolds raisonnable, uniquement de type soufflerie. Il s’agira donc d'exploiter une ou plusieurs simulation(s) de ce genre pour approfondir la compréhension du phénomène. Une analyse de stabilité globale d’un champ moyen devrait permettre d’identifier l’origine et la nature des instationnarités observées en soufflerie : l’existence de modes globaux instables (vecteurs propres instables de la Jacobienne) indiquerait que l’écoulement se comporte comme un oscillateur avec des fréquences clairement identifiées dans le spectre fréquentiel alors que l’identification de bosses large-bandes dans la réponse fréquentielle du système (modes singuliers de la résolvante de la Jacobienne) montrerait que le système amplifie et sélectionne de façon préférentielle certaines fréquences.

The aim of the PhD is a better understanding of the 3D Transonic Buffet flow physics. The Transonic Buffet is a complex aerodynamic instability which appears on wings and airfoils at high Mach numbers and/or angle of attack. The phenomenon consists in a shock oscillation that implies pressure and notably lift fluctuations, limiting the flight envelope. The main objective of the work is the study of the 3D phenomena over swept wings, starting from the 2D bibliography. The first year of the PhD was focused on an experimental analysis of 4 different ONERA and partners 3D wings databases and a numerical study over airfoils. The experimental study consists in a comparison of the characteristic of each database underlining the common values in order to find some common point of the phenomenon as Strouhal number, convection velocity, onset values etc. The numerical study is more a repeat of some results of bibliography increasing the spectra of influencing parameters. It consists in numerical simulations (RANS and URANS) and a stability analysis.