Rapid non-linear computational algorithms for rotary-wing aeroelasticity

Algorithmes non-linéaires rapides pour l’aéroélasticité d’ailes rotatives Cette thèse décrit les développements d'algorithmes non-linéaires rapides pour la résolution numérique de l'aéroélasticité d'ailes rotatives. L'objectif principal de cette thèse est le développement de la méthode aérodynamique qui est ensuite couplée à un solveur structurel pour produire des simulations aéroélastiques. Pour le modèle aérodynamique, une méthode dite à fidélité médium basée sur les méthodes potentielles est choisie pour capturer des interactions aérodynamiques et des phénomènes négligée par les méthodes à basse fidélité tout en obtenant les résultats à un coût de calcul significativement plus bas que les méthodes à haute fidélité basées sur les équations Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS). La structure des pales est modélisée avec des éléments de poutre de type Euler-Bernouilli dans une méthode d'éléments finis (FEM) pour obtenir les déflexions aéroélastiques.Les principaux objectifs de la thèse sont:- Améliorer la prédiction d'une méthode à fidélité médium des efforts aérodynamiques générés par les pales sans augmenter significativement le coût de calcul.- Assurer la stabilité numérique en vol surplace, avec ou sans effet de sol.- Exposer la sensibilité de la méthode par rapport à ses paramètres.- Coupler la méthode aérodynamique à un solveur structurel pour effectuer des simulations d'aéroélasticité quasi-statique.Le premier objectif est atteint avec la Unsteady Vortex Lattice Method (UVLM) et ses modifications par rapport à la méthode classique pour effectuer des simulations d'ailes rotatives. L'amélioration de la prédictions des efforts est accomplie via un couplage non-linéaire visqueux et non-visqueux (NL-UVLM) qui est bien connu pour l'aérodynamique d'ailes fixes, mais qui est plus rarement utilisé pour l'aérodynamique d'ailes rotatives.La méthode NL-UVLM est stabilisée en surplace, surtout en effet de sol, avec le remplacement des panneaux à connexion rigide par des particules libres de mouvement dénommées Vortex Particles Method (VPM). Toutefois, l'introduction des particules de vortex cause deux difficultés: 1) l'augmentation du coût de calcul et 2) l'instabilité numérique. Le premier problème est adressé en utilisant la Fast Multipole Method (FMM) pour réduire la complexité numérique. L'instabilité numérique est contrôlée en ajoutant une viscosité de la Large Eddy Simulation (LES). Les résultats de la NL-UVLM-VPM comparent bien pour les coefficients globaux, les charges réparties et le coefficient de pression avec les résultats de plusieurs méthodes à haute fidélité et expérimentaux.Les effets des différents paramètres du modèle sont explorés puisqu'ils jouent un rôle important sur la robustesse et la précision. Le chapitre conclue que la NL-UVLM-VPM peut produire des simulations stables et cohérentes sur de longues durées et obtenir des résultats en bonne adéquation avec l'URANS 3D si les paramètres sont choisis avec précaution.Le travail ici présenté s’appuie sur un précédent projet qui avait couplé la méthode VLM stationnaire à un modèle FEM non-linéaire pour simuler l'aéroélasticité statique d'ailes d'avions. Le logiciel est améliorer pour pouvoir simuler l’aéroélasticité quasi-statique de pales de rotor. La force centrifuge, nécessaire pour une prédiction adéquate de l'aéroélasticité d'ailes rotatives, est ajoutée explicitement comme une force externe dans le FEM. La méthode est vérifiée en comparaison avec d'autres simulations FEM de la littérature et les différents paramètres structuraux sont testé sur un cas simplifié de rotor à une seule pale. Les résultats aéroélastiques sont cohérents avec le comportement attendu de chaque paramètre structural. Finalement, une comparaison avec l'approche expérimentale développée dans le cadre de ce projet est présentée.La méthode présentée dans cette thèse pourrait trouver des applications pour la conception aéroélastique d'ailes rotatives, d'éoliennes et d'hélices tout en améliorant la fidélité de simulateurs de vol.