Global aerodynamic and aeroelastic instabilities of airfoils near stall

Instabilités aérodynamiques et aéroélastiques globales des profils aérodynamiques proche du décrochage Le décrochage d’un profil d’aile est classiquement décrit comme une perte soudaine de portance lorsque l’angle d’attaque dépasse une valeur critique, causée par une séparation brusque de l’écoulement. Les profils en décrochage présentent des phénomènes aérodynamiques et aéroélastiques complexes qui limitent l’enveloppe opérationnelle des aéronefs. Ces phénomènes incluent la formation de cellules de décrochage, entraînant une modulation dans le sens de l’envergure, et des oscillations basse fréquence associées à de violentes fluctuations des forces aérodynamiques. Ces oscillations peuvent résonner avec les fréquences naturelles de l’aile, déclenchant un flutter en décrochage, un phénomène aéroélastique potentiellement dangereux. Cette thèse vise à examiner numériquement l’apparition de tels phénomènes dans des régimes d’écoulement turbulents et transitionnels en utilisant l’analyse de stabilité globale. Toutes les études s’appuient sur la modélisation de l’écoulement dans le cadre des équations de Navier-Stokes moyennées par Reynolds, couplées à des modèles de turbulence ou de transition. Nous commençons par étudier les cellules de décrochage autour d’un profil dans des régimes pré-décrochage, où une bulle de séparation turbulente est présente au bord de fuite. Pour obtenir des topologies précises, le modèle de turbulence est corrigé via l’assimilation de données haute-fidélité. L’analyse de stabilité des écoulements assimilés montre la déstabilisation d’un mode tridimensionnel stationnaire responsable des cellules de décrochage, en accord avec des expériences récentes de l’ONERA. Différentes formulations de stabilité sont testées, avec perturbation ou gel des termes turbulents, afin de déterminer la stratégie optimale pour prédire l’apparition de l’instabilité. Le chapitre suivant étudie une bulle de séparation turbulente sur une plaque plane avec un gradient de pression défavorable simulant un profil à angle d’attaque élevé, en comparaison avec des études récentes. La bulle est instable à un mode tridimensionnel stationnaire, provoquant une rupture de l’écoulement. L’analyse résolvente de la réponse linéaire montre une amplification non modale de structures à haute fréquence liées au décollement, et une amplification des basses fréquences, cohérente avec la respiration basse fréquence. Le chapitre suivant explore la stabilité de l’écoulement transitionnel autour d’un profil avec bulle de séparation laminaire en décrochage. L’analyse révèle une compétition entre un mode tridimensionnel à fréquence nulle et un mode bidimensionnel à basse fréquence. L’effet de ce mode basse fréquence est examiné dans le chapitre suivant, où le profil est monté sur un ressort torsionnel, donnant lieu à un problème aéroélastique couplé. L’analyse prédit l’apparition du flutter en décrochage et identifie des régions d’instabilité selon la raideur du ressort, notamment une région où le système est entièrement stabilisé. Enfin, face aux coûts computationnels élevés des analyses aéroélastiques précédentes, une approche alternative fondée sur l’impédance mécanique est proposée. Cette méthode permet d’obtenir efficacement les courbes de stabilité neutre dans l’espace des paramètres du solide, définissant les frontières de la région de stabilisation, offrant ainsi une vision complète des scénarios de stabilité.