Étude numérique et analyse physique du morphing électroactif pour des ailes et des profils hydrodynamiques à des écoulements turbulents à nombre de Reynolds élevé

La présente thèse étudie par simulation numérique et analyse physique les effets du morphing électroactif pour le design des ailes du futur permettant de réduire l’impact environnemental et d’accroître l’efficacité du transport aérien. La thèse examine les effets du morphing électroactif hybride. Ce concept consiste en une association de diverses classes d’actionneurs électroactifs opérant à des échelles de temps et de longueur multiples, en accord avec la dynamique du spectre turbulent et dans un contexte de bio-inspiration concernant l’actionnement des ailes, ailerons et plumes de grands oiseaux prédateurs. Le morphing électroactif hybride crée des modifications de la turbulence à de multiples échelles dans les zones cisaillées et le sillage proche et crée l’augmentation des performances aérodynamiques par l’action de mécanismes de rétroaction. La thèse effectue des simulations numériques à nombre de Reynolds élevé autour de configurations de profils d’aile et d’ailes d’avion supercritiques dans les régimes du bas subsonique correspondant aux phases du décollage et atterrissage, et transsonique correspondant au vol de croisière. Toutes les simulations sont effectuées par le code NSMB (Navier Stokes MultiBlock), en utilisant des approches de modélisation de la turbulence efficaces, permettant de prédire en accord avec les expériences physiques, le développement d’instabilités et de structures cohérentes gouvernant la dynamique des écoulements. Dans ce contexte, l’approche « Organized Eddy Simulation » (OES) a été employée et améliorée par des concepts de cascade inverse utilisant de la réinjection de la turbulence dans les zones fortement cisaillées. Cette méthode, basée sur un forçage stochastique des équations de transport turbulent a été étendue dans la présente thèse aux trois dimensions et ses bénéfices ont été quantifiés concernant l’évaluation des efforts aérodynamiques et le développement d’instabilités fluide. Les avantages de cette approche, qui a été introduite par ailleurs au sein de la « Detached Eddy Simulation », ont été étudiés concernant la prédiction du tremblement en régime transsonique et de l’interaction choc-couche limite. Les régimes du bas subsonique concernent les écoulements autour de profils et d’ailes de type A320 en configurations statiques et en morphing et sont étudiés en utilisant l’approche de modélisation OES également. Le morphing de la région proche du bord de fuite à l’aide de faibles déformations et de vibrations de fréquences dans le rang de 100-400 Hz a été étudié en synergie avec des résultats expérimentaux du projet Européen H2020 N° 723402 SMS : « Smart Moprhing and Sensing for Aeronautical configurations ». A l’aide d’une étude paramétrique détaillée, il a été mis en évidence que des combinaisons optimales de fréquence-amplitude de ces actionnements fournissent une augmentation drastique de la finesse aérodynamique. Ces effets ont été obtenus à l’aide de manipulation de la dynamique des interfaces « Turbulent - Non Turbulent » (TNT) et des interactions avec les interfaces « Turbulent- Turbulent » (TT). De plus, cette thèse a développé un modèle structural efficace permettant le contrôle de forme par des Alliages à Mémoire de Forme (AMF). Ces actionneurs permettent d’obtenir de grandes déformations à de basses fréquences en appliquant une grande cambrure de l’aile pour augmenter la portance et pour adapter la forme de l’aile aux différentes sollicitations aérodynamiques. La présente thèse propose un modèle efficace pour obtenir des formes-ciblées de configurations aérodynamiques utilisant des AMF embarqués. Un nouvel algorithme robuste a été développé et validé pour prédire la réponse non-linéaire de l’interaction AMF-structure. Cet algorithme a été couplé avec une méthode de prédiction de la structure et des paramètres opérationnels optimaux pour le design, fournissant ainsi des architectures de morphing plus performantes et réduisant l’impact environnementa