Modèles de flottement gyroscopique pour les soufflantes non-carénées

Gyroscopic flutter models for non-ducted fans

• Auteur / Autrice : Federico Iorio
• Direction : Jean-Camille Chassaing
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 09/01/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....)

Mots clés

Mots clés libres

Aéroélasticité

Hélice

Flottement

Stabilité

Modélisation numérique

Effet gyroscopique

Aeroelasticity

Propeller

Flutter

Stability

Numerical modeling

Gyroscopic effect

Résumé

Le projet de recherche de cette thèse s'inscrit en parallèle du projet européen OFELIA, destiné au développement d'un démonstrateur de motorisation à soufflante non-carénée. Au sein de ce projet, des essais de flottement gyroscopique seront réalisés en 2024 au centre de recherche VZLÚ (Rép. Tchèque). Ces essais visent à constituer une base de données moderne et complète permettant d'évaluer différentes stratégies de modélisation du flottement gyroscopique. La modélisation classique du flottement gyroscopique repose sur des approches découplées entre aérodynamique et mécanique. Les efforts aérodynamiques peuvent être décomposés entre : - Efforts statiques, liés à la prise d'incidence de l'hélice au cours du mouvement giratoire. Ces efforts se rapprochent de la charge 1P. - Efforts dynamiques, liés à la vitesse de giration de l'hélice. L'étude de ces efforts est propre à celle du flottement gyroscopique. Ces efforts sont déterminés à l'aide de formulations analytiques quasi-stationnaires puis sont intégrés à un solveur mécanique pour la résolution du problème aéroélastique. L'objectif de la thèse est de développer et valider un modèle de flottement gyroscopique capable de prédire les limites de stabilité pour des configurations réalistes de type soufflante non carénée. Cela nécessite de coupler un modèle mécanique de la structure décrivant le comportement vibratoire du support, et un modèle aérodynamique fournissant les forces et moments s'exerçant sur l'hélice. Les travaux de thèse s'appuieront sur une stratégie globale modélisation – confrontation – exploitation. 1.La première phase des travaux consistera à réaliser une étude bibliographique du phénomène de flottement gyroscopique et de sa modélisation, ainsi que plusieurs sujets connexes. 2. Les travaux de modélisation débuteront par la prise en main des modélisations basse-fidélité classiquement utilisées dans la littérature qui mettent en oeuvre des formulations aéroélastiques quasi-statiques ou tenant compte d'effets instationnaires avec un modèle de Theodorsen. Le modèle aérodynamique analytique sera couplé à un modèle éléments finis. 3. La modélisation aérodynamique sera ensuite enrichie grâce à l'utilisation d'un code de type ligne portante. Les développements consisteront à mettre en place une stratégie de couplage fluide-structure entre ce code et le modèle de structure fournissant le comportement vibratoire afin de prédire les efforts aérodynamiques dynamiques. Enfin des calculs CFD haute-fidélité de type URANS seront conduits pour caractériser finement le comportement aérodynamique sous mouvement vibratoire de l'ensemble de la nacelle. A l'issue de ces développements, une première comparaison numérique des modèles fournira des éléments de validation en considérant comme référence les résultats des calculs CFD. 4. Les essais conduits en parallèle dans le cadre du projet OFELIA fourniront en cours de thèse une base de données expérimentale. Ces données comprendront : - Le domaine de stabilité dans différentes conditions de fonctionnement - Les efforts aérodynamiques stationnaires s'exerçant sur l'hélice sous incidence (charge 1P) - La dynamique vibratoire de la structure sous instabilité - La vitesse de l'écoulement en différents point de l'espace amont/aval de l'hélice Celles-ci seront exploitées par le doctorant pour évaluer différents modèles de flottement gyroscopique développés auparavant. 5. Des développements seront enfin conduits pour enrichir la modélisation CFD où des solutions de couplage faible et fort seront comparées pour évaluer ces différentes stratégies qui auront vocation à être employées à l'avenir pour des configurations d'hélices plus complexes. Les effets d'intégration motrice seront par ailleurs étudiés pour évaluer la nécessité de travailler sur une configuration d'hélice isolée ou installée, en s'intéressant en particulier à des effets d'incidence. Enfin les effets liés à la souplesse des pales feront l'objet de travaux exploratoires.

The research project of this thesis is in parallel with the European OFELIA project, intended for the development of a demonstrator of a non-ducted fan engine. Within this project, gyroscopic floating tests will be carried out in 2024 at the VZLÚ research center (Czech Rep.). These tests aim to constitute a modern and complete database allowing the evaluation of different strategies for modeling gyroscopic flutter. Classical modeling of gyroscopic flutter is based on approaches decoupled between aerodynamics and mechanics. Aerodynamic forces can be broken down into: - Static forces, linked to the angle of attack of the propeller during the gyratory movement. These efforts are close to the 1P load. - Dynamic forces, linked to the speed of rotation of the propeller. The study of these forces is specific to that of gyroscopic flutter. These forces are determined using quasi-stationary analytical formulations and then are integrated into a mechanical solver to resolve the aeroelastic problem. The objective of the thesis is to develop and validate a gyroscopic flutter model capable of predicting the stability limits for realistic unducted fan type configurations. This requires coupling a mechanical model of the structure describing the vibration behavior of the support, and an aerodynamic model providing the forces and moments acting on the propeller. The thesis work will be based on a global modeling – confrontation – exploitation strategy. 1.The first phase of the work will consist of carrying out a bibliographic study of the gyroscopic flutter phenomenon and its modeling, as well as several related subjects. 2. The modeling work will begin by getting to grips with low-fidelity modeling classically used in the literature which implements quasi-static aeroelastic formulations or taking into account unsteady effects with a Theodorsen model. The analytical aerodynamic model will be coupled to a finite element model. 3. The aerodynamic modeling will then be enriched through the use of a lifting line type code. The developments will consist of implementing a fluid-structure coupling strategy between this code and the structural model providing the vibration behavior in order to predict dynamic aerodynamic forces. Finally, high-fidelity CFD calculations of the URANS type will be carried out to finely characterize the aerodynamic behavior under vibratory movement of the entire nacelle. At the end of these developments, a first numerical comparison of the models will provide validation elements by considering the results of the CFD calculations as a reference. 4. The tests carried out in parallel as part of the OFELIA project will provide an experimental database during the thesis. This data will include: - The stability range under different operating conditions - The stationary aerodynamic forces acting on the propeller under incidence (1P load) - The vibration dynamics of the structure under instability - The speed of the flow at different points in the space upstream/downstream of the propeller These will be used by the doctoral student to evaluate different gyroscopic flutter models previously developed. 5. Developments will finally be carried out to enrich CFD modeling where weak and strong coupling solutions will be compared to evaluate these different strategies which will be used in the future for more complex propeller configurations. The effects of motor integration will also be studied to assess the need to work on an isolated or installed propeller configuration, focusing in particular on incidence effects. Finally, the effects linked to the flexibility of the blades will be the subject of exploratory work.