Comportement dynamique d`un dirigeable en écoulement
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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 Energétique (MFE) et Lieu (centre ONERA) : LILLE Département : Aérodynamique Appliquée (DAAP) Unité : Expérimentation et Limite de Vol (ELV) Tél. : 03 20 49 69 22 Responsable ONERA : ONERA : Dominique Farcy Email : [email protected] (co-encadrement avec Jean-François Le Roy sur les aspects CFD) 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. : 03 27 71 23 79 Email : [email protected] 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 de 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 virtuelles. 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’incidence 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 que 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 GEN-F160-7 (GEN-SCI-029) 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 couche 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 virtuelles, 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 expérimentations 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. GEN-F160-7 (GEN-SCI-029)
