Comportement dynamique d`un dirigeable en écoulement

GEN-F160-7 (GEN-SCI-029)
www.onera.fr
PROPOSITION DE SUJET DE THESE
Intitulé :
Comportement dynamique d'un dirigeable en écoulement non
homogène
Référence : MFE-DAAP-2017-03
(à rappeler dans toute correspondance)
Laboratoire d’accueil à l’ONERA :
Branche : Mécanique des Fluides et
Energétique (MFE) Lieu (centre ONERA) : LILLE
Département : Aérodynamique Appliquée
(DAAP)
Unité : Expérimentation et Limite de Vol (ELV) Tél. : [phone]
Responsable ONERA :
ONERA : Dominique
Farcy
(co-encadrement avec Jean-
François Le Roy
sur les aspects CFD)
Email : [e-mail]
Directeur de thèse envisagé :
Nom : Jean-Luc Harion - Ecole des Mines de Douai
Adresse : Département Énergétique Industrielle
941 rue Charles Bourseul
CS 10838
59508 Douai Cedex
Tél. : [phone] Email : [e-mail]
Sujet :
Les propriétés dynamiques des grands dirigeables diffèrent largement de celles des aéronefs
plus lourds que l’air (avions, hélicoptères) car l’équilibre aérostatique du véhicule est assuré
essentiellement par la poussée d’Archimède, et la densité globale d
e l’engin étant sensiblement
équivalente à celle de l’air, les effets de masse ajoutée sont déterminants dans le comportement.
Pour prévoir le comportement du dirigeable avec précision, il est nécessaire de disposer d’un modèle
aérodynamique suffisamment complet et précis sur toutes les phases de vol, y compris par conditions
météo défavorables.
Les modèles utilisés pour concevoir les dirigeables de grande taille de générations antérieures étaient
basés sur la théorie des écoulements potentiels et sur des
approches analytiques simplifiées (effets
visqueux et turbulents négligés, géométrie simplifiée). Dans ces modèles, les effets instationnaires
(accélération linéaires ou angulaires dans le fluide) sont décrits par les termes de masses et inerties
virtuell
es. Plus récemment l’usage de calculs CFD a permis d’enrichir les modèles précédents par la
prise en compte des caractéristiques de fluide réel (fluide visqueux), au moins pour les efforts
aérodynamiques statiques (sans effet de rotation) aux angles d’inci
dence ou de dérapage faibles.
Néanmoins, la validation de ces codes pour les composantes quasi-
stationnaires (p, q, r) et
instationnaires des coefficients, ou pour les coefficients statiques aux grands angles doit être
poursuivie.
L’expérience a montré qu
e ce type de modèle permet de prédire assez bien le comportement d’un
engin évoluant dans un environnement homogène et en l’absence de forts décollements (mouvement
d’avancement du dirigeable majoritairement suivant son axe longitudinal). En revanche, ces
modèles
ne rendent pas bien compte des situations d’environnement non homogènes ou engendrant des

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décollements importants. Ces situations peuvent être classées en deux types :
- Inhomogénéité liée à la proximité du sol ou d’un obstacle, du fait de la couch
e limite atmosphérique
éventuellement perturbée par un effet de sillage de bâtiment ou autre ;
- Inhomogénéité liée au caractère instationnaire de l’écoulement, du fait d’une rafale de vent.
Il convient de remarquer que dans les deux cas, il n’existe pas de bases de données expérimentales.
Les travaux s’intéresseront plus particulièrement au second type de situation (cas de rafales). Ceci
couvre diverses situations : impact d’une rafale sur tout ou partie du dirigeable en vol stationnaire, vol
d’avancement avec pénétration/sortie d’une zone d’atmosphère avec un écoulement cisaillé,…
Dans ce contexte, la présente thèse poursuit deux objectifs :
1/ développer les outils et méthodologies d’évaluation des efforts aérodynamiques en environnement
non homogène (expérimentations et /ou calculs CFD).
2/ évaluer l’apport des modèles sur des manœuvres type.
Les point-clés à traiter sont :
- Définition des entrées atmosphériques (rafales : quels profils spatio-
temporels) et
recensement des paramètres descriptifs et des règles de similitude
-
Modélisation du torseur aérodynamique dans des conditions stationnaires « extrêmes »
(grands angles d’incidence/dérapage ; écoulement cisaillé)
- Evaluation et modélisation des effets instationnaires (instationnarité spatio-
temporelle lors de
pénétration en rafale et impact de rafale sur dirigeable en vol stationnaire)
Ainsi, la thèse comprendra les volets suivants :
-
étude bibliographique sur l'aérodynamique des « plus légers que l’air », la théorie des masses
virtu
elles, les modélisations aérodynamiques en écoulement non homogène et les études de
comportement dynamique et sur les modèles de rafale;
-
en fonction des moyens disponibles, qualification d’un banc d’essai de simulation de rafales,
définition et conduite de campagnes d'essais "efforts" et analyse des résultats ;
- génération de calculs par CFD, contribution à la validation d’éventuels développements ;
- développement et validation de modèles aérodynamiques en environnement non homogène.
Les expérimentat
ions s'appuieront sur les équipes techniques de l'unité ELV; néanmoins, une
contribution active du doctorant aux essais et à l'analyse est indispensable.
Collaborations extérieures : Flying Whales
PROFIL DU CANDIDAT
Formation : ingénieur grande école, master 2
Spécificités souhaitées :
compétences solides en mécanique des fluides théorique et
appliquée, en dynamique du vol, goût pour l'expérimental et le travail en équipe ; aptitude à
communiquer.