Méthodes d'extraction et de décomposition de la traînée pour des écoulements permanents et transitoires

Au début des années 2000, une puissante méthode d'extraction et de decomposition de la traînée, applicable à des solutions numériques, a été proposée. Cette méthode possède l'avantage de pouvoir offrir une décomposition physique de la traînée en termes de traînée d'onde,traînée visqueuse, et traînée induite. Elle offre à l'ingenieur aérodynamicien la possibilité d'optimiser localement les différentes configurations externes relativement à l'identification physique des zones responsables de la production de la traînée. Le deuxieme avantage de cette méthode est qu'elle permet d'identifier, d'extraire, et de quantifier la traînée numérique inhérente à tous calculs CFD. La quantification de la traînée numérique est un atout majeur pour l'ingenieur, car son extraction lui permet d'obtenir un niveau élevé de précision sur le calcul du coefficient de traînée sur des grilles de tailles moyenne à grossière. Cette possibilité revêt un caractère d'une importance capitale lors d'un processus d'optimisation, car elle permet de diminuer radicalement le temps machine requis pour obtenir une solution précise. Axes de recherche generaux Malgré son utilisation de plus en plus répandue dans des centres de recherche et chez certains constructeurs aéronautiques tels qu'Airbus, Bombardier Aéronautique et DLR, la méthode originale, datant de 2003, n'a été l'objet que de peu d'améliorations au fil des années. Qui plus est, cette méthode souffre de certaines lacunes importantes qui diminuent son interêt auprès des industriels. Le premier axe de recherche a donc été d'améliorer la méthode d'extraction et décomposition de la traînée en proposant des solutions concrètes aux différentes lacunes identifiées. De plus, jusqu'à présent, cette puissante méthode ne peut s'appliquer qu'à des écoulements en regime permanent et aucune méthode ne permet l'extraction et la décomposition de la traînée pour des écoulements en régime transitoire. Or, de plus en plus de champs de recherche lancent des signaux clairs qu'une telle méthode serait un atout majeur à leur discipline. A titre d'exemple, on peut considérer le développement de drones à ailes battantes, ou encore, l'étude de la traînée générée par les pales d'un hélicoptère. C'est dans cette optique que s'inscrit le deuxième axe de recherche de cette thèse qui vise a développer une méthode d'extraction et de décomposition de la traînée pouvant s'appliquer à des écoulements évoluant autant en régime permanent que transitoire.

Abstract

At the beginning of the 21st century, a powerful method of extraction and decomposition of the drag, relevant to numerical CFD solutions, was proposed. This method has the advantage of providing a physical breakdown of the drag in terms of wave drag, viscous drag, and induced drag. It therefore offers the aerodynamic engineer the possibility of optimizing the different external configurations relative to the physical identification of the physical zones of drag production. The second advantage of this method is the possibility of identifying, extracting, and quantifying the spurious drag inherent to all CFD solutions. The quantification of the spurious drag is a major asset for engineers because its extraction allows to obtain an high level of accuracy on the computed drag coefficient on coarse to medium grids. This possibility is of the utmost importance during an optimization process because it allows to drastically decrease the required CPU time to obtain an accurate solution. Research axes Despite its use in research centers and in aircraft manufacturers such as Airbus and DLR, the original method, dating from 2003, has suffered little improvement over the years. Moreover, this method possesses some significant drawbacks that limit its widespread use in the industries. The first research axis of this thesis was therefore to improve the drag extraction and decomposition method by proposing concrete solutions to the various identified deficiencies. Moreover, until now, this powerful method can only be applied to steady flows and no method allows the extraction and decomposition of the drag for unsteady flows. However, more and more research fields show clear signals that such method would be a major asset. For example, one can consider the development of drones with flapping wing, or the study of drag produced by the rotating blades of an helicopter. It is from this perspective that the second research axis was developped; as such it aims at the development of a drag extraction and decomposition method relevant to both steady and unsteady flows. Scientific contributions As indicated above, the first research axis aims to improve the actual method by correcting some of its weaknesses. The first deficiency of this method is the necessity to numerically compute the gradient of a certain function. The calculation of a gradient is a complex task which requires to know the topology of the mesh, as well as the discretization scheme used,to give an accurate evaluation of the drag coecient.