Algorithmes de couplage RANS et écoulement potentiel

Dans le processus de développement d'avion, la solution retenue doit satisfaire de nombreux critères dans de nombreux domaines, comme par exemple le domaine de la structure, de l'aérodynamique, de la stabilité et contrôle, de la performance ou encore de la sécurité, tout en respectant des échéanciers précis et minimisant les coûts. Les géométries candidates sont nombreuses dans les premières étapes de définition du produit et de design préliminaire, et des environnements d'optimisations multidisciplinaires sont développés par les différentes industries aéronautiques. Différentes méthodes impliquant différents niveaux de modélisations sont nécessaires pour les différentes phases de développement du projet. Lors des phases de définition et de design préliminaires, des méthodes rapides sont nécessaires afin d'étudier les candidats efficacement. Le développement de méthodes améliorant la précision des méthodes existantes tout en gardant un coût de calcul faible permet d'obtenir un niveau de fidélité plus élevé dans les premières phases de développement du projet et ainsi grandement diminuer les risques associés. Dans le domaine de l'aérodynamisme, les développements des algorithmes de couplage visqueux/non visqueux permettent d'améliorer les méthodes de calcul linéaires non visqueuses en méthodes non linéaires prenant en compte les effets visqueux. Ces méthodes permettent ainsi de caractériser l'écoulement visqueux sur les configurations et prédire entre autre les mécanismes de décrochage ou encore la position des ondes de chocs sur les surfaces portantes. Cette thèse se focalise sur le couplage entre une méthode d'écoulement potentiel tridimensionnelle et des données de section bidimensionnelles visqueuses. Les méthodes existantes sont implémentées et leurs limites identifiées. Une méthode originale est ensuite développée et validée. Les résultats sur une aile elliptique démontrent la capacité de l'algorithme à de grands angles d'attaques et dans la région post-décrochage. L'algorithme de couplage a été comparé à des données de plus haute fidélité sur des configurations issues de la littérature. Un modèle de fuselage basé sur des relations empiriques et des simulations RANS a été testé et validé. Les coefficients de portance, de trainée et de moment de tangage ainsi que les coefficients de pression extraits le long de l'envergure ont montré un bon accord avec les données de soufflerie et les modèles RANS pour des configurations transsoniques. Une configuration à géométrie hypersustentatoire a permis d'étudier la modélisation des surfaces hypersustentées de la méthode d'écoulement potentiel, démontrant que la cambrure peut être prise en compte uniquement dans les données visqueuses.

Abstract

In new aircraft development programs, the selected geometry must meet many criteria in many fields, such as structure, aerodynamic, stability and control performance or even safety. In addition, costs must be reduced to the minimum. In the early stages of development, several configurations must be analyzed. Multidisciplinary optimization environments are developed by various aeronautical industries. Every development stage requires different accuracy levels and therefore adapted methods are developed. During the product definition and preliminary design phase, fast methods are needed to study efficiently the numerous candidates. The development of new methods improving the accuracy of the existing ones while keeping a low computing cost can greatly reduce project risks and costs. In the aerodynamics field, viscous/inviscid coupling methods are used to improve inviscid linear computations by coupling them with nonlinear viscous data. These methods allow to characterize the viscous flow on the configurations and thus predict the stall mechanisms or the position of the shock waves on the wings. This thesis focuses on the coupling method between a three-dimensional potential flow and two-dimensional viscous sectional data. Existing methods are first implemented and their limits are identified. An original method is then developed and validated. Results on an elliptical wing demonstrate the ability of the algorithm to accurately predict the aerodynamic coefficients even at high angles of attack and in the post-stall region. The original coupling algorithm is compared to higher fidelity data on configurations extracted from the literature. A fuselage model, based on empirical relationships and RANS simulations, has been implemented and validated. The lift, drag and pitching moment coefficients as well as the pressure coefficient extracted along the wing span show good agreement with wind tunnel data and CFD models for transonic cases. A high-lift configuration is used to study the modeling of control surfaces in the inviscid method, demonstrating that the camber can be considered only in the viscous data. Although viscous data are necessary for the coupling algorithm, the manner of obtaining them is not considered in this study, since they are seen as a pre-existing database and independent of the coupling method. However, taking into account the sweep angle in the development of a new method to obtain infinite swept wing solutions on two-dimensional meshes is briefly addressed in this project, since its effect on the prediction of the aerodynamic coefficients is highlighted and allows a better match of the coupling algorithm with higher fidelity methods.