Numerical study of cycloidal propellers : Analysis of unsteady vortical flows and optimization

De nos jours, les turbines et hélices à pas variable sont largement utilisées dans de nombreux équipements d'ingénierie, tels que l'éolienne à axe vertical, le système de propulsion sous-marin et les véhicules aériens sans pilote. En tant que nouveau type de dispositifs à pas variable, les hélices cycloïdales, comprenant plusieurs pales oscillant avec des mouvements sinusoïdaux, ont attiré plus d'attention. Le principe du rotor cycloïdal comprend deux mouvements de base : l'un est la rotation basée sur le centre de l'arbre et l'autre est le mouvement de tangage de la pale sur un point de pivot le long de la ligne de corde. La portance et la force de propulsion de l'hélice cycloïdale sont fournies par les composants de la portance et de la traînée sur les pales, en raison de la variation de l'angle d'attaque relatif. Les structures d'écoulement à l'intérieur de l'hélice cycloïdale sont extrêmement compliquées, impliquant plusieurs types d'interactions pale-sillage et sillage-sillage et différents tourbillons sur les surfaces des pales, ce qui dépend de manière significative des paramètres géométriques et des conditions de travail. Pour une meilleure conception d'un tel dispositif, il est d'une grande importance de comprendre la physique de l'écoulement autour du propulseur cycloïdal et de déterminer comment elle affecte les performances du propulseur, dans différentes conditions de travail. Dans cette thèse, les écoulements tourbillonnaires instationnaires sur un rotor cycloïdal bipale sont modélisés en utilisant le modèle de turbulence de transition SST k-(Re) ̃_θt. Les principales contributions du présent travail peuvent être résumées comme suit : (1) étalonnage du modèle de transition SST k-(Re) ̃_θt sur un profil aérodynamique fixe isolé par étude d'influence des paramètres de distribution du maillage, des conditions limites de turbulence à l'entrée, des corrélations et des paramètres du modèle de transition et pa r comparaison aux résultats expérimentaux à différentes incidences et différents nombres de Reynolds ; (2) application du modèle de transition optimisé à un rotor cycloïdal pour deux coefficients d'avance, pour étudier en détail les structures d'écoulement internes, notamment l'interaction pale-sillage, l'interaction sillage-sillage, les écoulements vortex près de la paroi et la transition laminaire-turbulence ; (3) optimisation des paramètres du rotor cycloïdal : de la cinématique de tangage, du rapport corde/rayon, de la position du point de pivot, du pas et du profil de pale. Analyse des performances globales pour différents nombres de Reynolds et coefficients d'avance, sur la base de l'analyse des performances de la pale unique, forces (portance et traînée), coefficients de pression et écoulements près de la paroi sur deux pales.Nowadays, the variable-pitch turbines and propellers are extensively employed to many engineering equipment, such as the vertical-axis wind turbine, underwater propulsion system and unmanned air vehicle. As a novel type of variable-pitch devices, cycloidal propellers, comprising several blades oscillating with sinusoidal motions, have been attracting more attention. The principle of the cycloidal rotor includes two basic motions: one is the rotation based on the centre of the shaft and the other is the blade pitching motion over a pivot-point along the chord line. The lift and propulsive force of the cycloidal propeller is provided by the components of the lift and drag on the blades, due to the variation of the relative angle-of-attack. The flow structures inside the cycloidal propeller are extremely complicated, involving several kinds of blade-wake and wake-wake interactions and different vortices on the blade surfaces, which depends on the geometrical parameters and working conditions significantly. For a better design of such device, it is of great importance to understand the flow physics of the cycloidal propeller and how it affects the performance under different working conditions. In this thesis, the unsteady vortical flows over a two-bladed cycloidal rotor are simulated using the SST γ-(Re) ̃_θttransition model. The main contributions of the present work can be summarized as follows: (1) calibration of the SST γ-(Re) ̃_θt transition model over a single airfoil, in terms of the mesh distribution, inlet turbulence condition, correlations and parameters in the transition model, and then comparing the results with the experiments at different incidences and Reynolds numbers; (2) applying the optimized transition model to a cycloidal rotor at two advance coefficients, to investigate the internal flow structures in detail, mainly including the blade-wake interaction, wake-wake interaction, near-wall vo rtex flows and laminar-turbulence transition; (3) optimizing the cycloidal propeller, including the pitching kinematic, chord-to-radius ratio, pitch-pivot-point and blade profile, and explaining how the global performance changes at different Reynolds numbers and advance coefficients, based on the analysis of the performance of the single blade, forces (lift and drag), pressure coefficients and near-wall flows on two blades