Etude numérique et analyse physique du morphing de profils d'aile de type Airbus A3XX en régime transsonique par l'approche de modélisation de la turbulence "Organised Eddy Simulation" à nombre de Reynolds élevé.

In a world in constant expansion and growth, both economically and demographically, the aeronautics industry faces a pressing need to respond to financial and environmental issues. In 2016, 3.6 billion people used the plane to get around. The International Air Transport Association (IATA)considers that this number could double in 2035 due to an estimated average growth rate of around 3.7% over a period of 20 years. This observation has led many players in the aeronautical world to constantly innovate in order to reduce the environmental impact of commercial flight with a view to reconciling growth and sustainable development. It thus becomes essential to explore innovative concepts and ideas borrowed from Nature. It is in this context that the Smart Morphing and Sensing for aeronautical configurations project (SMS—http://smartwing.org/SMS/EU) intervenes. This research project, led by the National Polytechnic Institute of Toulouse, is part of the European Commission’s Horizon 2020 program, and brings together 10 partners from 5 European countries with the goal of developing a new compliant wing concept called bio-inspired and electro-active hybrid morphing. This technology was inspired by bird wings to achieve the same optimal flight. To do so, a continuous deformation is imparted to the wing, said deformation being modified over time depending on the flight conditions in order to improve aircraft stability, aerodynamic performance and reduce airflow-generated noise sources at all times. It would thus be possible to reduce fuel consumption and greenhouse gas emissions. Indeed, the release of carbon dioxide and nitrogen oxides are mainly due to the flame temperature within the combustion chamber of aircraft turbo engines. By reducing the required thrust throughout a plane trip, especially during take-off and cruise, morphing aims to make commercial aircraft a more economical transportation method, based on predictions that such a technology would allow to save up to at least 1% in terms of fuel consumption. This thesis studies electroactive morphing as a technique allowing the deformation of airfoils and the improvement of aerodynamic performance in all flight phases and — of most interest here — in during cruise, a phase when the flow around the aircraft is transonic which gives rise to compressibility phenomena. This analysis will focus on the understanding and manipulation through morphing of an instability resulting from so-called Shock Wave-Boundary Layer Interactions (or SWBLI) in the transonic regime. The use of turbulence modeling tools and the numerical resolution of the Navier-Stokes equations help establish the behavior of this instability under the action of a dynamic deformation of the wing. The simulations were produced using the Navier-Stokes MultiBlock (NSMB) code, as well as a statistical turbulence modeling approach that accounts for the formation and development of coherent structures and their interaction with the messy and random background of turbulence. The simulation results allow to highlight the importance of certain coherent vortical structures in the dynamics of SWBLIs. They also exhibit feedback mechanisms that enable the manipulation of the resulting flow instability using electroactive morphing. Consequently, several deformation modes and vibration frequencies from 100 Hz to more than 800 Hz have been investigated and coupled with wind tunnel studies as part of the SMS project. This parametric study and the resulting discussion show that the use of specific frequencies can reduce shape drag by means of the aforementioned feedback effect that acts on decreasing the strength of the SWBLI. The lift to drag ratio is also found to be considerably increased for these same deformation frequencies. This suggests the possibility of using high-frequency morphing during cruise to improve the aerodynamic performance of commercial aircraft.Dans un contexte économique changeant et face aux défis environnementaux auxquels les constructeurs d’avions sont confrontés, il devient primordial de faire appel à des concepts innovants et des idées empruntées à la Nature. C’est dans ce cadre que le projet Smart Morphing and Sensing for aeronautical configurations (SMS - http://smartwing.org/SMS/EU) intervient. Ce projet de recherche, piloté par l’Institut National Polytechnique de Toulouse, s’inscrit dans le cadre du programme H2020 de la Commission Européenne, et réunit 10 partenaires venant de 5 pays européens dans le but de développer un nouveau concept d’aile déformable — le Morphing Hybride Electroactif — qui s’inspire des ailes d’oiseau. Cette déformation continue et modulable en fonction des conditions de vol permet d’améliorer le comportement des aéronefs, les performances aérodynamiques ainsi que de réduire les sources de bruit liées à l’écoulement autour des surfaces portantes. Il serait ainsi possible de réduire la consommation de carburant et les émanations de gaz à effet de serre. En effet, les rejets de gaz carbonique et d’oxydes d’azote sont principalement dûs à la température de flamme au sein de la chambre à combustion des moteurs d’avion. En réduisant la poussée à fournir lors d’un trajet, notamment lors du décollage qui est la phase nécessitant une poussée maximale et la phase de croisière qui est la phase la plus longue, le but du morphing est de permettre à l’avion de devenir plus économe, se basant sur des prédictions allant jusqu’à au moins 1% de gain sur la consommation de carburant. Cette thèse s’intéresse au morphing électroactif en tant que technique permettant la déformation des surfaces portantes et l’amélioration des performances aérodynamiques dans toutes les phases du vol, ici en particulier dans la phase de croisière, une étape du vol lors de laquelle l’écoulement autour de l’avion est transsonique et donne lieu à des phénomènes de compressibilité. L’étude portera notamment sur la compréhension et la manipulation d’une instabilité provenant de l’Interaction entre Choc et Couche Limite (en anglais "Shock Wave Boundary Layer Interactions", ou SWBLI) en écoulement transsonique par le biais du morphing. L’utilisation d’outils de modélisation de la turbulence et de résolution numérique des équations de Navier-Stokes permettent d’établir le comportement de cette instabilité sous l’action d’une déformation dynamique de l’aile. Les simulations ont été produites avec le code Navier Stokes MultiBlock (NSMB), par le biais d’une approche statistique de modélisation de la turbulence qui rend compte de la formation de structures cohérentes et de leur interaction avec le fond désordonné et chaotique de la turbulence. Les résultats de simulation permettent de mettre en exergue l’influence de certains artefacts vorticaux dans la dynamique des interactions entre choc et couche limite, et exhibent des phénomènes dont la compréhension rend possible la manipulation des instabilités résultantes à l’aide du morphing électroactif. Ainsi, plusieurs modes de déformation et fréquences de vibration sur des plages allant de 100 Hz à plus de 800 Hz ont été étudiés et couplés à des études expérimentales en soufflerie dans le cadre du projet SMS. Cette étude paramétrique et l’exploitation physique qui en résulte montre que l’emploi de certaines fréquences permet de considérablement réduire la traînée de forme des surfaces portantes à l’aide d’une rétro-action sur la SWBLI. La finesse aérodynamique se retrouve également augmentée pour ces mêmes fréquences de déformation. Cela laisse présager la possibilité d’exploiter le morphing de haute fréquence en phase de croisière afin d’améliorer les performances aérodynamiques d’un avion commercial