Calcul des coefficients aérodynamiques d'un avion complet par la méthode RANS

La détermination des dérivées de stabilité pour l'ensemble de l'enveloppe de vol grâce à la mecanique des fluides numériques (CFD) est l'un des prochains grands défis de l'aérodynamique numérique externe. Pour rester compétitifs, les constructeurs aéronautiques se tournent de plus en plus vers la CFD afin d'obtenir les précieuses données aérodynamiques dans le but d'améliorer la qualité de leurs produits tout en réduisant les délais et les coûts de développement. Cependant, la méthode numérique a besoin d'évoluer afin d'assurer une fiabilité élevée pour répondre aux besoins des constructeurs et diminuer les essais en soufflerie. La présente étude se donne pour but d'évaluer le potentiel d'une méthode CFD 3D haute-fidélité dans la détermination du comportement aérodynamique d'un avion en incidence et en lacet. La méthodologie complète aboutissant à l'obtention des coefficients de stabilité statique y sera développée afin de comparer les résultats aux données expérimentales. Les différentes étapes de la méthode seront présentées incluant : le traitement de la géométrie, le processus de maillage et la résolution par un solveur CFD commercial. Les points importants à suivre afin d'obtenir une fidélité élevée y seront aussi développés ainsi que la phase de vérification et validation. L'ensemble des résultats sera présenté de facon brute ainsi qu'à l'aide d'une métrique d'erreur afin d'évaluer la précision de la présente méthode. Dans un premier temps, celle-ci sera appliquée sur un cas de validation de la littérature : le Drag Prediction Workshop II avec l'étude du DLR-F6. Les cas tests incluant une étude à CL constant ainsi qu'un balayage en incidence seront recréés. Ensuite, la méthode sera appliquée sur un avion de recherche : un Bombardier Research Aircraft. Les différentes associations de composantes sur le fuselage incluant l'aile, la nacelle et l'empennage vertical seront étudiées en balayage d'incidence et de lacet à faible nombre de Mach. L'étude conclura ensuite sur le potentiel d'une telle étude par rapport à son coût de développement dans les cas de recherche présentés ici.

Abstract

The evaluation of stability derivatives within the entire flight domain through the use of Computational Fluids Dynamics is one of the next challenges of numerical external aerodynamics. To remain competitive, aircraft manufacturers are increasingly turning to CFD to provide aerodynamic data in an effort to increase the quality of their products while reducing the development turnaround time and costs. However, the numerical analysis need to evolve to insure a higher fidelity and meets the need of the aircraft manufacturers and decrease wind-tunnel experiments. The present study aims to estimate the potential of a high-fidelity 3D CFD analysis in the determination of the aerodynamic behavior of an airplane in incidence and yaw. The complete methodology to obtain the static stability coefficients will be developed and the results compared with the experimental data. All the phases of the methodology will be presented including: the treatment of the geometry, the meshing process and the flow solving by a commercial CFD software. Important points to obtain a high-fidelity will also be developed as well as the verification and validation phase. The results will be presented as raw as well as with an error metric in order to estimate the accuracy of the current method. First, it will be applied on a validation case from the literature: the Drag Prediction Workshop II with the study of the DLR-F6. The test cases including a study at fixed CL as well as an incidence sweeping will be recreated. Then, the methodology will be applied to a Bombardier Research Aircraft. The various associations of components on the fuselage including the wing, the nacelle and the tail will be studied in incidence and yaw sweepings. The study concludes on the potential of such study with regard to its development costs in the cases presented here.