Aeromechanical simulations for the optimization of helicopter rotors in forward flight

Un cadre d'optimisation multi-Objectif pour les pales d'hélicoptère est développé en utilisant des modèles de simulation de haute fidélité. Des fonctions objectives caractérisant la performance de l'hélicoptère en vol stationnaire et d'avancement sont retenues. Deux solveurs sont utilisés afin de prédire la performance du rotor: le code général HOST et le solveur CFD elsA. Le premier axe de recherche porte sur la caractérisation de la précision des méthodes de prédiction. L'influence de la prise en compte de la souplesse de la pale, du trim rotor et/ou de l'utilisation de modélisations aérodynamiques simplifiées est caractérisée pour chaque cas de vol en utilisant des mesures en soufflerie. Un cadre numérique adapté à l'optimisation est développé. Le deuxième axe de recherche porte sur des techniques d'optimisation multi-Objectif de pales en vol stationnaire et d'avancement. Deux algorithmes novateurs basés sur la compétition (Jeux de Nash) et la coopération (Descente à Gradients Multiples) sont présentés comme des alternatives aux approches traditionnelles pour traiter le problème multi-Objectif. Afin de réduire le coût des simulations, un cadre de simulation basé sur des métamodèles est développé y compris une stratégie multi-Fidélité pour prédire la performance du rotor en vol d'avancement. Ces techniques sont appliquées à un cas réaliste de rotor, en utilisant des simulations CFD trimmées avec pale souple pour le cas du vol d'avancement et des simulations CFD avec pale rigide en vol stationnaire. Les résultats sont ensuite analysés, démontrant le potentiel de ces techniques pour l'obtention de conceptions réalistes représentant des bons compromis entre les objectifs.This work addresses the development of a multi-Objective optimization framework for helicopter rotor blades using high-Fidelity simulation models. In particular, objective functions corresponding to hover and forward flight are considered. Two solvers are used to predict the rotor performance: the comprehensive rotor code HOST and the Computational Fluid Dynamics (CFD) solver elsA. The first research axis of this work is the characterization of the accuracy of each available prediction method. The influence of considering the blade elasticity, the rotor trim and/or simplified aerodynamics is characterized for each flight case using wind-Tunnel data. As a result, a numerical framework adapted to the optimization is developed. The second part of this work concerns the formulation and development of techniques adapted to the multi-Objective optimization of rotor blades in hover and in forward flight. Innovative algorithms based on competition (Nash Games) and cooperation (Multi-Gradient Descent) are presented as alternatives to traditional multi-Objective approaches. In order to reduce the simulation costs, a surrogate-Based framework is developed, including a multi-Fidelity strategy to predict the rotor performance in forward flight. These techniques are finally applied to a realistic rotor, considering trimmed elastic CFD computations in the forward flight case and rigid blade CFD computations in the hover case. The results are subsequently analyzed, demonstrating the potential of these techniques to obtain realistic designs realizing interesting trade-Offs