Séminaires DAEP 2023

Performance dans le motorsport : design et simulation

• Vendredi 15 décembre 2023 - 11h00 - salle 38.137 - par Michele Colombo

Je vais présenter un retour d’expérience de 4 ans au sein du département de performance aérodynamique d’une écurie de Formule 1 et 8 ans de consulting dans la branche motorsport d’une marque d’automobiles sportives. Après une introduction de base sur la dynamique du véhicule on plongera dans les méthodes de simulation utilisées et leur interaction (calcul de performances, télémétrie, CFD, mesures en soufflerie) et quelques anecdotes.

Direct numerical simulation of nucleate boiling and cavitation in micro-gravity conditions

• Vendredi 8 décembre 2023 - 11h00 - salle 38.137 - par Annafederica Urbano

Comportement des sondes cinq trous en environnement confiné

• Vendredi 30 juin 2023 - 11h00 - salle 38.137 - par Adrien Vasseur

Les sondes cinq trous sont un outil de mesure indirecte du vecteur vitesse d’un écoulement. Leur robustesse en fait un bon outil d’étude des parties chaudes d’une turbomachine. Dans le moteur, leur relative grande taille et la complexité des écoulements modifient les relations entre les pressions mesurées aux cinq trous et le vecteur vitesse. Cette thèse vise à améliorer la compréhension de ces problèmes pour préparer l’élaboration de corrections des erreurs liées à l’intrusivité.

Stability analysis of variable density trailing vortices

• Vendredi 23 juin 2023 - 11h00 - salle 38.137 - par Julien Sablon

The stability of trailing vortices has been studied for years and remains an essential research subject nowadays. These vortices generated by the wings (or any finite foil) are an unavoidable by-product of the lift generation. They can be hazardous when aircraft are following each other especially during take-off and landing phases. This leads to substantial security distances between each aircraft in the airports and consequently to higher operating costs. Nowadays, the ecological footprint of the aircraft is a major issue for the civil aviation industry. The reduction of the vortex persistence is likely to reduce the occurrence of contrails in the sky by an increase of the mixing of the different gases. As the contrails have a significant contribution to the aviation-induced radiative forcing, their mitigation is expected to reduce the climate impact of the sector. The study of the instabilities which are present on isolated vortices or vortex systems is a necessary first step to better understand the destabilisation mechanisms and stands as a key point for control strategies that could be implemented on aircraft.

More specifically, this stability analysis is conducted on an isolated tridimensional vortex described by an analytical base flow model corresponding to the q-vortex, a parallel version of the Batchelor vortex. A Gaussian density profile is superimposed to the q-vortex to get a plausible variable-density profile. The presentation will highlight the different results obtained in the framework of the modal and non modal stability analyses conducted on this baseflow.

Analyse aéroélastique expérimentale et analytico-numérique de pales de rotor flexibles

• Vendredi 16 juin 2023 - 11h00 - salle 38.051 - par Anaïs Chambon

Dans l’étude de pales flexibles en rotation, les propriétés structurelles de la pale déterminent les principaux modes de flexion et de torsion. Pour certains points de fonctionnement (c’est-à-dire pour certaines vitesses de rotation), ces modes peuvent être excités et conduire à différents phénomènes d’instabilités tels que le flottement aéroélastique. Il s’agit d’une vibration auto-excitée instationnaire, dans laquelle la structure échange de l’énergie avec le flux. L’une des causes de ce phénomène est la coalescence de deux modes structuraux : la flexion et la torsion, qui atteignent la même fréquence de vibration. Dans ce cas, la pale vibre de façon incontrôlable et les performances aérodynamiques sont fortement dégradées. Ce problème est général aux rotors. Cependant, elle prend une ampleur encore plus importante dans le cadre de pales flexibles (la pale se déforme sous l’effet centrifuge de la rotation). L’une des conséquences de ces instabilités est l’endommagement structurel instantané ou par fatigue sur le système. L’intérêt de comprendre et de maîtriser ce phénomène est donc essentiel.

À cet effet, un banc d’essai expérimental dédié à l’étude des rotors à pales flexibles au point fixe a été développé, afin de réaliser une analyse vibratoire et aérodynamique. Des jeux de pales de flexibilité et d’épaisseur variés ont été conçus avec différents matériaux composites, dans le but d’étudier l’influence de la flexibilité sur l’apparition des phénomènes aéroélastiques. Des mesures de performances aérodynamiques ainsi que des mesures de déformées dynamiques des pales en rotation ont été effectuées.
De plus, un modèle aéroélastique est développé et est basé sur le couplage :

• d’une approche par éléments finis pour modéliser le comportement dynamique des pales supposées comme une poutre uniforme, élancée, isotrope et homogène avec des déformations hors plan de flexion et de torsion, soumises à des forces inertielles et centrifuges dues aux effets de rotation.
• Une approximation des termes aérodynamiques instationnaires.

Enfin, des diagrammes de Campbell expérimentaux et numériques sont tracés pour étudier l’évolution et le comportement des modes propres en fonction de la vitesse de rotation du rotor. Ainsi la présence d’un couplage entre les fréquences de flexion et de torsion peut être détectée, dans l’intervalle de vitesse de rotation opérationnelle du banc d’essai. Ces croisements entre modes de flexion et de torsion dans les diagrammes de Campbell peuvent être considérés comme un des indicateurs d’apparition du flottement par coalescence de modes et peuvent ainsi permettre d’identifier les vitesses de flottement des pales.

Atténuation de perturbations aérodynamiques instationnaires par intelligence artificielle

• Vendredi 9 juin 2023 - 11h00 - salle 38.137 - par Brice Martin (Présentation)

La mobilité aérienne urbaine offre de grandes perspectives pour un mode de transport plus propre, plus sûr et plus efficace. Parmi les défis à relever, tels que l’électrification, il est essentiel de développer des techniques efficaces pour atténuer les perturbations, étant donné que l’environnement urbain est un lieu idéal pour leur apparition. Les modèles décrivant l’impact des perturbations sur les performances aérodynamiques des véhicules étant instationnaires et non linéaires, il est difficile d’établir des stratégies d’atténuation efficaces. Dans ce travail, nous cherchons à élaborer de telles stratégies grâce à l’apprentissage par renforcement. Notre travail s’articule autour de trois axes principaux. Tout d’abord, à l’aide d’un problème simplifié, nous cherchons à expliquer pourquoi l’apprentissage par renforcement est préférable aux techniques de contrôle standard pour le problème d’atténuation des perturbations. Ensuite, nous proposons une méthodologie pour à la fois détecter et atténuer ces perturbations. Enfin, nous nous concentrons sur le contrôle de l’interaction entre les perturbations et les couches limites du véhicule.

Étude numérique de l’impact du dérapage sur l’interaction onde de choc/couche limite

• Vendredi 2 juin 2023 - 11h00 - salle 38.137 - par Thomas Bergier

Afin de s’éloigner de la configuration canonique et de s’approcher d’un cas réel d’interaction onde de choc/couche limite, un angle de dérapage est imposé entre le choc et la direction de l’écoulement amont. L’impact de ce phénomène tri-dimensionnel est étudié sur l’écoulement moyen ainsi que sur la dynamique instationnaire de la zone d’interaction

Exergy analysis for unsteady aerodynamics

• Vendredi 26 mai 2023 - 11h00 - salle 38.137 - par Juan Pablo Ruscio

The exergy analysis of systems has become a powerful tool into many disciplines of engineering in order to achieve a better understanding of the efficiency of systems in the past decades. The literature defines that the exergy analysis “consists of using the first and second law of thermodynamics together, for the purpose of analyzing the performance in the reversible limit of a system, and for estimating the departure from this limit”. In other words, exergy is the part of the energy with potential to be recovered, and anergy is the part which has no potential of being recoverd (linked to entropy). In this way, the first exergy analysis methodology for aerodynamics was developed in 2015 under the hypothesis of steady flows and it proved to be a convenient tool for analyzing the new more integrated propulsion-aiframe configurations.
The objective of the presented work is to develop the exergy analysis methodology for unsteady flows, and validate it through its application on different tests cases on which different physical phenomena are present (laminar and turbulent regimes, lifting body, moving shock-waves, non-inertial body movement, heat transfer). Therefore, opening the possibility to know which part of the energy contained on the unsteady wake of an object has potential of being recovered (exergy) and which should be avoided at all to be generated (anergy).

Évaluation de l’approche RANS pour l’étude des écoulements avec points chauds swirlés dans les turbines refroidies

• Vendredi 14 avril 2023 - 11h00 - salle 38.137 - par Christopher Wingel

L’écoulement en entrée de turbine haute-pression est caractérisé par des forts niveaux de turbulence et des points chauds swirlés qui impactent l’aérodynamique et l’aérothermique de l’étage de turbine. La prédiction fiable de cet écoulement de point chaud swirlé doit donc se faire en amont avec des simulations numériques.

Dans ce travail de thèse, l’approche RANS est évaluée sur la configuration du projet FACTOR, où des données LES et expérimentales sont disponibles. Un premier état des lieux sur cette géométrie de turbine haute-pression avec des simulations stationnaires et instationnaires, et avec prise en compte ou non du refroidissement confirme un écoulement complexe à prédire, particulièrement du point de vue de la turbulence. Une configuration simplifiée est donc déclinée pour l’analyse d’un point chaud swirlé turbulent grâce à des LES et pour la calibration de simulations RANS. Cette étude révèle que la diffusion joue un rôle important dans le transport d’un point chaud dans un canal courbé, la diffusion étant pilotée par l’échelle de dissipation de la turbulence, qui est évaluée au travers une échelle intégrale de turbulence. Un bilan d’énergie cinétique turbulente permet de décrire les mécanismes principaux qui gouvernent l’écoulement. Des études complémentaires basées sur l’analyse de Lumley montrent une forte anisotropie de la turbulence qui ne peut pas être correctement capturée par les modèles de turbulence RANS suivants l’hypothèse de Boussinesq. Ainsi, les modèles EARSM et RSM sont prometteurs, car ils permettent de retrouver la sensibilité à la courbure et à la rotation.

Avec l’expérience acquise grâce à cette étude académique, la configuration FACTOR est de nouveau traitée. Les modèles de turbulence anisotropes sont évalués, mais les résultats manquent de prédictibilité quand ils sont comparés aux essais. Deux problèmes sont mis en avant au niveau de la condition aux limites : des erreurs de mesure au plan d’entrée de la turbine haute-pression (P40) en raison des forts niveaux de giration, et une nature instationnaire du P40 en raison de la présence d’une instabilité hydrodynamique. Les analyses montrent que le premier point est d’une importance capitale, alors que le second améliore les résultats dans une moindre mesure.

Modélisations de turbomachines par termes sources : revue des méthodes et exemples d’applications

• Vendredi 31 mars 2023 - 11h00 - salle 38.137 - par Guillaume Dufour (présentation)

La méthode body force (BFM) consiste à remplacer les aubages de turbomachines par des termes sources volumiques dans la zone couverte par les pales. Ceci diminue le coût de calcul en réduisant la taille du maillage et en permettant notamment de modéliser par une approche stationnaire des rotors en présence de distorsion, qui nécessitent des calculs instationnaires avec les méthodes classiques. Au delà de la diversité de modèles BFM existants, des approches à priori différentes, comme les « 3D throughflow » ou le « couplage entre la Blade Element Theory et un calcul CFD », peuvent également être vues de manière similaire. Ainsi, le premier objectif de cette présentation est de donner une vision globale de toutes ces méthodes, dans le contexte plus général des méthodes de modélisation par termes sources, en insistant sur la philosophie de dérivation des termes sources et les différentes formulations de forces, pour aboutir à des classifications plus génériques que celles généralement proposées dans la littérature. Le second objectif est de présenter un panorama des différentes applications traitées par cette approche à l’ISAE, principalement en collaboration avec AIRBUS, SAFRAN et l’ONERA. Notamment, on traitera de la modélisation des entrées d’air courtes en incidence, de l’ingestion de couche limite, et du cas des hélices rapides. Les modélisations instationnaires pour traiter du décrochage tournant dans les compresseurs seront aussi abordées. Enfin, des approches pour intégrer la méthode dans le cadre de prédictions au niveau du moteur complet seront discutées.

Aeroacoustic optimization of MAV rotors

• Vendredi 3 mars 2023 - 11h00 - salle 38.137 - par Pietro Li Volsi (présentation)

With the increase in the use of quadcopter micro air vehicles (MAVs), the issue of noise pollution is becoming crucial in both military and civilian fields. For defense and security applications, the acoustic stealthiness of MAVs is a major issue, particularly for surveillance and intelligence missions. In the civilian domain, the increasing use of MAVs in urban environments requires public acceptability, which relies heavily on their acoustic discretion. The hovering condition, which has the practical advantage of allowing MAVs to work in close proximity to the target, is studied in this thesis. To improve the acoustic stealthiness of MAVs, it is imperative to reduce the acoustic signature of their rotors. The question of rotor noise is not a new problem, but the efforts of the community have so far focused on larger-sized rotors, such as helicopter rotors. The small size of MAV rotors requires a specific analysis of the aerodynamic phenomena causing the radiated noise. The low Mach and chord-based Reynolds numbers associated with small rotors (typically less than 30 cm in diameter) induce particular aeroacoustic noise effects composed of two main sources : tonal and broadband noise. Here, a multi-objective optimization procedure aiming at reducing the tonal noise and maximizing the flight endurance of an isolated MAV rotor is presented. The optimization is then validated against aerodynamic and aeroacoustic tests performed on optimized rotors printed by means of stereolithographic 3D printers. Particular attention is paid to the aerodynamic and acoustic modeling used for optimization, with distinct analyses of tonal and broadband noise contributions. The role of broadband noise contribution, classically modeled through semi-empirical approaches used for automotive fans, wind turbines, and helicopter rotors, is discussed.