Étude des performances aérodynamiques par simulations numériques d'un concept d'aéronef à décollage et atterrissage vertical (VTOL) destiné à la mobilité urbaine

L'accélération du développement urbain entraîne plusieurs nouvelles contraintes en termes de transports. De nouvelles solutions doivent être trouvées pour résoudre ces problématiques. Les aéronefs à décollage et atterrissage vertical (VTOL) hybrides ou électriques viennent répondre à ces besoins en permettant de relier deux points efficacement et rapidement par la voie des airs. Un nouveau concept de VTOL avec des soufflantes carénées intégrées dans les ailes a été proposé. Ce dernier possède une architecture lift and cruise qui permet de découpler les systèmes de propulsion pour augmenter sa fiabilité. Cette étude a comme objectif d'analyser les performances aérodynamiques de ce concept à travers ses trois phases principales de vol : le décollage et l'atterrissage à la verticale, le vol de transition et le vol de croisière horizontal. Elles seront tirées à partir de simulations fluidiques numériques (CFD) basées sur le modèle du Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS). La méthodologie employée afin de mettre en place ces calculs numériques sera présentée. On y retrouve entre autres la construction de la géométrie avec un logiciel de Computer-Aided Design (CAD), la définition du maillage, la modélisation de la poussée des soufflantes ainsi que le choix des conditions limites et des schémas numériques. Étant donné que des tests en soufflerie ne seront pas utilisés pour vérifier l'exactitude des résultats, la méthodologie sera d'abord appliquée sur un cas connu tiré de la littérature pour la valider. Les trois phases de vol seront par la suite simulées séparément. Dans un premier temps, les performances des soufflantes carénées en vol vertical seront étudiées. Il est estimé que la carène participe de façon importante à la poussée totale générée. Par la suite, une analyse des impacts des colonnes d'air créées pendant le vol transition sera faite. Finalement, les performances en vol de croisière seront étudiées par les coefficients de portance, de traînée et de moment de l'aéronef. Une étude de la stabilité sera également faite par la marge statique. Les résultats seront accompagnés par une phase de validation grâce aux différents critères comme la convergence, l'analyse des champs et l'étude de sensibilité au maillage. Des recommandations seront finalement données afin d'améliorer le concept et de pousser la recherche vers d'autres pistes.

Abstract

The acceleration of urban sprawl brings new transport challenges. Innovative solutions have to be found to solve those problems. Vertical take-off and landing aircrafts are one of them as they let one connect two point quickly and efficiently by flight. A new VTOL concept in embedded ducted fans in the wings has been proposed. It has a lift and cruise architecture that separates the propulsion systems to increase reliability. In this thesis, the aerodynamics performances will be investigated throughout the aircraft's three main flight phases : vertical take-off and landing, transition and cruise. They will be assessed using computational fluid dynamics (CFD) simulations based on the Reynolds-Averaged Navier-Stokes model. The methodology used to build the simulation will be presented. It will include the design of the geometry by a Computer-Aided Design (CAD) software, meshing of the geometry, modeling of the fan, election of boundary conditions and choice of numerical schemes. Wind tunnel testing will not be available for this research, so the methodology has to be validated on a known airfoil case found in the literature. Then, the three flight phases will be simulated separately. First, the effect of the duct on the overall vertical flight lift will be studied. It is estimated that the fan duct contributes greatly. Then, a transition study will look at the effect of the cross-flow coming out of the ducted fans. Finally, the cruise performance will be determined with the lift, drag and moment forces and coefficients. The simulations will be validated with a number of criteria including the residuals, the field studies and the mesh sensitivity studies. Recommendations will be made with the goal of advancing this study in the future and looking at its shortcomings.