Séminaires DAEP 2024

Theoretical and Experimental Study of Mixing in Low-Density Jets

• Lundi 16 décembre 2024 - 14h00 - salle 38.137 - par Léo Walter

The aim of this PhD thesis is to study the physical mechanisms which govern the evolution and the mixing of side-jets in low-density binary mixing round jets, using a complementary numerical and experimental approach. The physical mechanisms which are responsible for the generation of side-jets, closely related to the three-dimensionalization of the jet through the development of secondary instabilities, are as of yet not fully understood. As such, a better understanding of the mechanisms at play is a prerequisite for the design of an efficient control strategy to promote the mixing between the jet and ambient fluid.

The objective of the numerical study is to identify the transient mechanisms which influence the growth of three-dimensional disturbances in the low-density round jet, specifically under the physical conditions in which side-jets appear. To that aim, a linear non-modal stability analysis was conducted over the non-linear evolution of a two dimensional axisymmetric Kelvin—Helmholtz vortex ring which develops in low-density round jets due to the Kelvin—Helmholtz primary instability. The stability analysis was implemented through further numerical development of the existing dalsa academic code. Through the use of a direct-adjoint optimisation method, we identify the spatial structure and temporal evolution of three-dimensional disturbances which yield the highest growth of generalised energy, as well as the underlying physical mechanisms and their relation to side-jets generation in low-density round jets at low Atwood numbers. In particular, we seek to bring a new perspective in order to settle between the two current hypotheses concerning the physical mechanisms at the origin of side-jets. The first hypothesis suggested by Monkewitz & Pfizenmaier (1991) relies on a velocity induction mechanism induced by the longitudinal counter-rotating vortex dipoles developing in the constant-density case. The second one is based on the three-dimensionalisation mechanism associated with longitudinal velocity streaks of opposite sign developing on either side of the hyperbolic stagnation point in the braid identified by Lopez-Zazueta et al. (2016) in the case of variable-density plane mixing layers.

The numerical analysis is conducted in close relation to an experimental investigation of the structure of side-jets in a helium-air binary mixture round jet. The parameters used in the numerical analysis, such as the Reynolds number, the Atwood number and jet aspect ratio, are based on the operating conditions used in the experiment, allowing the theoretical predictions to be compared with the empirical evolution of the helium-air jet. To that aim, we conduct hot-wire anemometry measurements of the jet radial profile and frequency of the primary instability under several operating conditions to characterise the evolution of the governing parameters and relate the experimental conditions to the existing scientific literature.

The objective of the experimental investigation is to study the structure of side-jets and their effect on the mixing of the jet and ambient fluids. To do so, we have designed and assembled a tomographic Background Oriented Schlieren (3DBOS) experimental bench. This bench is designed to observe the deviations of light-rays of the order of 0.5 mrad induced by the change in refractive index in the helium-air jet. The 3DBOS technique employed in this study provides novel reconstructions of three-dimensional density maps of the side-jets which develop over the helium-air jet. Through these novel density maps, we can provide new insight into the structure of side-jets and their induced mixing, and relate them to the predictions of the stability analysis.

Turbopropulseurs et modélisation des effets d’installation avec une approche body-force

• Vendredi 6 décembre 2024 - 11h00 - salle 38.051 - par Thibault Kiffer

Récemment, afin de diminuer l’empreinte carbone de l’aviation commerciale, de nouvelles architectures d’avions ont été proposées par Airbus. Les configurations propulsives à hélices sont particulièrement étudiées car elles permettraient des réductions significatives de consommation de carburant. L’absence de nacelle permet d’augmenter le diamètre du rotor par rapport à un turboréacteur, ce qui accroît l’efficacité propulsive. Cependant, même si les hélices sont utilisées depuis le début de l’aviation, des problèmes d’intégration se posent parmi les architectures étudiées par les avionneurs et motoristes. L’un de ces défis est l’interaction du sillage de l’hélice avec la voilure, qui a un impact sur les performances aérodynamiques. Il s’agit également d’une source majeure de bruit, qui ne peut être traitée par des revêtements acoustiques conventionnels en raison de l’absence de la nacelle. Par conséquent, des méthodes de simulation efficaces sont nécessaires pour évaluer les performances aérodynamiques et aéroacoustiques de configurations d’hélices installées. La modélisation body-force (BFM) permet de réduire le coût de calcul de systèmes propulsifs intégrés. Dans ce modèle, les pales sont remplacées par un terme source volumique reproduisant le travail et les pertes générées par les pales. Ces travaux de thèse visent à modéliser les effets d’installation aérodynamiques et aéroacoustiques d’un turbopropulseur avec une approche BFM.

High-fidelity simulations, theory and machine learning for trailing edge noise

• Vendredi 22 novembre 2024 - 15h00 - salle 38.137 - par Andrea Arroyo Ramo (présentation)

Understanding the trailing-edge noise mechanisms is a challenging task, in particular in the presence of complex mean flows and geometry installation effects. On the other hand, the design of turbomachinery applications requires tools that are able to perform many accurate evaluations with a low computational cost. Analytical models or hybrid numerical approaches have traditionally been employed for that purpose. However, such methods are typically constrained by simplifying hypotheses, or they are restricted to particular flow conditions and/or applications. In this work, both ends are addressed with a twofold objective : gain a better understanding on the noise generation mechanisms of the trailing-edge noise on the Controlled Diffusion (CD) airfoil by means of Direct Numerical Simulations (DNS) and to develop a fast and reliable surrogate model to predict wall-pressure spectrum by means of Artificial Neural Networks.

Designing a distributed hybrid propulsion light aircraft with enriched powertrain assumptions

• Vendredi 8 novembre 2024 - 14h00 - salle 38.137 - par Baptiste Legrand (présentation)

Prior to the 2000s, the rise of Computed Assisted Design provided aircraft architects tools to sped up the development of new aircraft. However, the early design stage procedures developed, cannot be applied to distributed, electric or hybrid propulsion aircraft. Therefore, researchers are studying these concepts from different angles. Research projects usually aim at development of an early design procedure which then enriched using specific high-fidelity models. This seminar will present a similar procedure based on higher fidelity powertrain assumptions.

An acoustic liner inside a rotor blade ? Really ?

• Vendredi 18 octobre 2024 - 14h00 - salle 38.137 - par Santiago Montoya Ospina

With the rapid rise of drone technology, concerns about increased noise exposure have become more pressing. We investigate a novel approach to reduce drone noise by integrating acoustic liners directly inside rotor blades—addressing the noise source itself. This method offers a fresh alternative to traditional uses of acoustic liners, such as those found in turbofan nacelles. Additionally, we examine the impact of surface roughness introduced by the liner on both the aerodynamic and acoustic performance of the rotor. Finally, we assess the effects of placing the liner on a strut that resembles the drone’s chassis.

Airfoil tonal noise reduction by roughness elements

• Vendredi 4 octobre 2024 - 14h00 - salle 38.250 - par Tiago de Araújo (ITA, Brésil)

Caractérisation des rotors carénés peu chargés en présence de distorsions d’écoulements

• Vendredi 27 septembre 2024 - 11h00 - salle 38.137 - par Vincent Maillet (présentation)

Dans le contexte de déploiement de nouveaux moyens de mobilité aérienne, il y a un besoin de développer des effecteurs propulsifs innovants. Le rotor caréné peu chargé est l’une des réponses les plus prometteuses à ce besoin et sa caractérisation dans le cas d’un écoulement d’entrée homogène a été précédemment étudiée. Cependant, les architectures d’aéronef dit « en rupture » font apparaître soit via des effets d’installation, soit via des points de vol atypiques, des situations où l’écoulement arrivant sur le propulseur n’est plus homogène (vent de travers, rotors basculants, ingestion de couche limite ou de sillage, etc.). Le but des travaux présentés lors de ce séminaire sera de comprendre comment l’ensemble rotor-carène va se comporter d’un point de vue aérodynamique face à ces conditions inusuelles.

Multidisciplinary modeling of the impact of atmospheric conditions on an aircraft take-off performance in a context of global warming

• Vendredi 28 juin 2024 - 11h00 - salle 38.137 - par Suzanne Salles

Climate change has an impact on aircraft operations both in terms of performance and safety. The recurrence of extreme weather outside of the aircraft flight envelope at best leads to a loss in cost-effectiveness and at worst represents a threat to safety calling for a reorganization of air operations. More intense and frequent heat waves could for example impact operations with longer take-off distances and weight restrictions being necessary due to a decrease in performance.

This study aims at qualitatively and quantitatively investigating the impact of changes in atmospheric conditions due to global warming on aviation. More precisely, on the take-off phase which is most critical in terms of safety and engine performance and may be severely impacted by meteorological conditions. Future atmospheric variables predicted up to the end of the century according to different socio-economic scenarios dictating greenhouse gas emissions are evaluated in terms of their influence on performance of a commercial aircraft. Due to the stochastic nature of these predictions, it is necessary to consider the associated uncertainties, and to quantify the occurrence probability of critical conditions according to localizations and scenarios.

On the role of deep geometric learning in aerodynamic shape optimization

• Vendredi 21 juin 2024 - 11h00 - salle 38.137 - par Zhen Wei

In this talk, I will introduce my research on the integration of deep geometric learning in aerodynamic shape optimization (ASO). The focus of the presentation will be on the potential of deep geometric learning to enhance the automation and effectiveness of solving ASO problems. Specifically, I will discuss the development and implementation of two mesh parameterization models and their applications in various scenarios. The results from multiple case studies demonstrate that deep geometric learning techniques can significantly reduce the complexity and cost of modeling and manipulating complex geometries. These advancements pave the way for a more accessible ASO solution and have the potential to impact other computer-aided engineering domains.

Identification d’un avion aéroélastique avec la méthode des réseaux de neurones à graphes

• Vendredi 26 avril 2024 - 11h00 - salle 38.137 - par Michele Colombo (présentation)

Dans ce séminaire, je vais présenter la méthode des réseaux de neurones à graphe unis à la méthode des équations différentielles ordinaires neurales appliquée à l’identification de la dynamique en rafale discrète d’un modèle d’avion aéroélastique.

Utilisation de la LES pour la propagation électromagnétique en atmosphère turbulente réaliste

• Vendredi 12 avril 2024 - 11h00 - salle 38.137 - par Victor Darchy (présentation)

La couche limite atmosphérique marine (ABL) est un environnement complexe dans lequel divers phénomènes affectent les systèmes électromagnétiques (EM). En particulier, la turbulence troposphérique se caractérise par des fluctuations rapides de l’indice de réfraction atmosphérique qui peuvent introduire des perturbations à la fois dans l’amplitude et la phase des signaux EM, entraînant des pertes supplémentaires. Ainsi, la modélisation complète de la turbulence est essentielle pour évaluer quantitativement l’influence de l’atmosphère sur la propagation des ondes EM. Les méthodes usuelles se basent sur une génération purement statistique du phénomène à partir de spectres de type Kolmogorov. Dans cette présentation, je proposerai plusieurs méthodes plus réalistes de prise en compte de la turbulence en ABL basées sur des simulations LES de scénarios météorologiques.

Two Compressors, Twice the pleasure

• Vendredi 15 mars 2024 - 11h00 - salle 38.137 - par Xavier Flete

Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une convention CIFRE entre Liebherr-Aerospace et l’ISAE-SUPAERO. Ce travail identifie les phénomènes de couplage pouvant influencer la stabilité d’un bi-compresseur centrifuge muni de diffuseurs lisses opérant au voisinage de la zone de pompage. La compréhension des instabilités aérodynamiques propres à chaque étage a mis en évidence un couplage défavorable, entre ces deux composants. L’étage aval joue un rôle dominant dans la déstabilisation du compresseur complet. Afin de généraliser ce résultat, il convient d’étudier une configuration modifiée où l’étage amont devient limitant. Suite à cette analyse, des indicateurs locaux et globaux de stabilité sont déduits. De plus, de nouvelles règles de conception sont proposées en vue d’étendre la plage de fonctionnement de ce type de compresseur. Enfin, des méthodes applicables en phase de pré-design sont misent en place pour prédire l’apparition des phénomènes d’intérêt, et donc la ligne de pompage.

Simulation des transitoires violents et écoulements pulsés dans les turbines

• Vendredi 2 février 2024 - 11h00 - salle 38.137 - par Pierre Bertojo (présentation)

Une voie prometteuse d’amélioration des performances des turbomachines est d’utiliser des cycles moteurs avec une combustion à volume constant (isochore) au lieu de la traditionnelle combustion isobare. Dans l’aéronautique, des perspectives d’évolution vers des moteurs à détonation PDE (Pulsating Detonation Engine) ou RDE (Rotating Detonation Engine) sont envisagées, afin d’accroître la performance globale. Ces architectures particulières de systèmes propulsifs nécessitent des conditions d’alimentation très différentes de la chambre et des organes qui l’entourent. En particulier, une forte instationnarité est à prendre en considération. Ainsi le bénéfice théorique des systèmes à combustion isochore n’est envisageable qu’à la condition d’une maîtrise de la performance des turbines, soumises à des conditions d’alimentation fortement instationnaires qui s’apparentent à des écoulements pulsés.

Ce projet étudie l’influence des effets d’épaisseur d’une aube de turbine sur les recommandations de conception d’une turbine alimentée par un écoulement pulsé pour des aubes infiniment minces. À cette fin, un plan d’expérience a été réalisé en bornant l’étude à des géométries d’aube diédrique. Celui-ci a permis d’aboutir à une configuration géométrique optimale pour le stator. Afin d’obtenir un étage complet il a fallu ajouter la partie en rotation avec le rotor. La géométrie retenue pour ce dernier est le miroir du stator. Les simulations avec l’utilisation de la méthode du sliding mesh ont été réalisés et ont permis de voir les similarités ainsi que les différences par rapport au cas du stator isolé. Une analyse complémentaire a été réalisée afin de quantifier la génération d’entropie de chaque géométrie ainsi que l’influence de la solidité sur le sur effort.

Enfin, et c’est l’objectif final de l’étude, il a fallu compléter ces configurations en y ajoutant des conditions pulsées. En effet, afin de respecter le cycle thermodynamique de Humphrey, il faut que la combustion se fasse à volume constant. Il faut donc isoler la chambre de combustion et la conséquence directe de ceci est l’alternance de la propagation d’onde de choc et de détentes au sein du canal. L’objectif des derniers travaux de cette thèse est de caractériser l’influence des différents paramètres du cycle et de maximiser le sur-effort lié au passage de l’onde de choc sur la géométrie et de minimiser les effets néfastes de la détente.

Aerospace and society : insights from science fiction

• Vendredi 26 janvier 2024 - 11h00 - salle 38.137 - par Aleksandar Joksimović (présentation)

The science fiction genre has arguably been the most prominent repository of modern cautionary tales about human innate curiosity, creativity and urge to reach towards the unknown. Comparative reading of extensive body of SciFi work across different media reveals insights into how aerospace might be perceived by humanity in today’s just as well as in arbitrarily far-future contexts. In a pair of conference papers [1, 2] co-written with Richard Pearson from LACS, I explore two such themes :

1. Collective perception of aerospace technologies as enablers of utopian future of the humankind continues a long history of tales of human expansion, but it does not come without its controversies. Some SciFi stories tend to take for granted that aerospace brings people together, yet they simultaneously stay oblivious to its potentially nefarious effects by resorting to (false ?) promises of deus ex machina solutions found in the darkness of the unknown. [1]
2. Physical scales made available to us by ever-improving aerospace technologies range from local Earth-based intervals to arbitrarily large cosmic scales of space-time. Taken literally, such extrapolation can invert the historical trend of aerospace being a force for unification of humanity to it being a force for its disintegration. Yet, science-fiction seems to avoid this problem by persistently synergising the hypothetical space-faring humanity with various forms of Artificial Intelligence… [2]

[1] Joksimović, A. and Pearson R., Holding Aerospace in High Esteem : Insights from Science Fiction, presented at AIAA SciTech Forum 2024, Orlando, FL/USA, 08-12 Jan 2024.
[2] Joksimović, A. and Pearson R., AI as Custodian of Space-Faring Humanity : Insights from Science Fiction, presented at AIAA SciTech Forum 2024, Orlando, FL/USA, 08-12 Jan 2024.

Instabilité et décrochage tournant dans un diffuseur lisse de machines centrifuge

• Jeudi 11 janvier 2024 - 14h00 - salle 38.137 - par Antoine Dazin (LMFL/ENSAM Lille)

Les diffuseurs lisses de pompes et de compresseurs centrifuges peuvent être sujet à des phénomènes aéro/hydrodynamiques instables qui limitent leur plages de fonctionnement. Si ces phénomènes ont été mis en en évidence depuis plus de 50 ans, plusieurs hypothèses sur leur origine physique sont discutées dans la littérature. Le travail présenté porte sur l’identification de différents modes instables pouvant apparaissant dans un diffuseur lisse par des analyses expérimentales et des calculs CFD de la machine complète. Plusieurs modèles d’ordre réduit intégrant des physiques de plus en plus complexes sont ensuite proposées pour discuter l’origine physique des modes instables identifiés. Une analyse des effets de la géométrie du diffuseur (rapport de rayon) ou des conditions aux limites en entrée de ce composant sont également discutés.