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Caractérisation et contrôle de l’écoulement autour d’une configuration générique d’UCAV
Stéphane MORGAND3e annéeDAAP/MMHDBourse DGA/ONERA
Directeur de thèse: Eric Garnier (ONERA)
Encadrants ONERA: Jean-François Le Roy
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Plan
• Introduction au problème• Contexte • Objectifs scientifiques
• Démarche et déroulement de la thèse• Présentation du drone générique• Description de l’écoulement à l’extrados du drone : Étude CFD• Confrontation simulations numériques et données expérimentales• Nouvelle étude expérimentale • Contrôle de l’instabilités latérales et du Pitch-up
• Conclusions et perspectives
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• Introduction au problème• Contexte • Objectifs scientifiques
• Démarche et déroulement de la thèse• Présentation du drone générique• Description de l’écoulement à l’extrados du drone : Étude CFD• Confrontation simulations numériques et données expérimentales• Nouvelle étude expérimentale • Contrôle de l’instabilités latérales et du Pitch-up
• Conclusions et perspectives
Plan
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Contexte
• Problématiques• Géométrie de voilure pour drone subsonique (type UCAV) • La structure de l’écoulement d’une aile à flèche modérée diffère de celle
d’une aile à forte flèche• Phénomènes aérodynamiques dégradant les performances
aérodynamiques :• Instabilités latérales
• Pitch-up
• Éclatement tourbillonnaire
Angle de flèche
Avion de ligne Aile de type UCAV
Aile à forte flèche
20°≤ φ ≤ 35°
connu
40° ≤ φ ≤ 55°
Connaissance à approfondir
55°≤ φ ≤70°
connu
Démonstrateur UCAV Neuron Dassault-Aviation
Démonstrateur UCAV Phantom Ray Boeing
Intro | Biblio | Présentation du drone | En cours | Perspectives
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Objectifs scientifiques
• Caractérisation de l’écoulement→ Meilleure connaissance de la phénoménologie de l’écoulement : naissance
et développement des structures tourbillonnaires à l’extrados d’un UCAV générique
→ Mise en place de nouvelles études numériques et expérimentales
• Contrôle de l’écoulement aérodynamique→ Limiter les effets des non linéarités aérodynamiques→ Améliorer les performances aérodynamiques du drone
• Objectifs scientifiques communs aux groupes RTO-AVT161/183→ Amélioration de la manoeuvrabilité des drones→ Validation des codes de simulations numériques
Intro | Présentation du drone | Description de l’écoulement | Contrôle | Perspectives
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Plan
• Introduction au problème• Contexte • Objectifs scientifiques
• Démarche et déroulement de la thèse• Présentation du drone générique• Description de l’écoulement à l’extrados du drone : Étude CFD• Confrontation simulations numériques et données expérimentales• Nouvelle étude expérimentale • Contrôle de l’instabilités latérales et du Pitch-up
• Conclusions et perspectives
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Présentation de l’UCAV générique• UCAV générique de type SACCON (Stability And Control CONfiguration )
• Projet du groupe RTO AVT161
Intro | Présentation du drone | Description de l’écoulement | Contrôle | Perspectives
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Présentation du calcul RANS
Maillage Nombre de
points
(1/2 conf)corde
Bord d’attaque
1 4 Millions 77 77
2 8 Millions 93 117
3 12 Millions 180 200
• UCAV générique de type SACCON projet du groupe RTO AVT161
93 pts
117 pts
Méthodes numériques
• Discrétisation temporelle : Backward euler
• Discrétisation spatiale : Jameson
• Modèle de turbulence : Spalart - Allmaras
Conditions aérodynamiques
• M =0,14, V = 50 m/s
• Re = 1,59.10e6
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Description de l’écoulement
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Description de l’écoulement
= 15°
Ligne d’attachement du vortex d’apex
Ligne de séparation du vortex d ’épaisseur
Écoulement attaché
Formation du tip vortex
Ligne d’attachement du tip vortex
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Description de l’écoulement
= 16°
Ligne d’attachement du vortex d’apex
Ligne de séparation du vortex d ’épaisseur
Écoulement attaché
Formation du tip vortex
Ligne d’attachement du tip vortex
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Description de l’écoulement
= 17°
Ligne d’attachement du vortex d’apex
Ligne de séparation du vortex d ’épaisseur
Écoulement attaché
Remontée du tip vortex
Ligne d’attachement du tip vortex
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Description de l’écoulement
= 18°
Ligne d’attachement du vortex d’apex
Remontée du tip vortex
Ecoulement de retour
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Description de l’écoulement
= 19°
Ligne d’attachement du vortex d’apex
Remontée du tip vortex
Ecoulement de retour
Vitesse = 0
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Description de l’écoulement
= 20°
Ligne d’attachement du vortex d’apex
Ecoulement de retour
Vitesse = 0
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Comparaison données numériques/expérimentales
Intro | Présentation du drone | Description de l’écoulement | Contrôle | Perspectives
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Comparaison données numériques/expérimentales
CFD PIVCFD PIV
Intro | Présentation du drone | Description de l’écoulement | Contrôle | Perspectives
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Données Expérimentales (campagne PIV DNW)
Tip vortexVortex d’épaisseurApex vortex
• Données expérimentales
• SPIV effectuée au DNW
• x/c = 20 – 45 % ONERA • Résolution spatiale 1.2 mm
• x/c = 45 – 80 % DLR• Résolution spatiale 2 mm
= 17°
Intro | Présentation du drone | Description de l’écoulement | Contrôle | Perspectives
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Description de l’écoulement vortex (Critère Gamma1)
x/c=70%
Utilisation du critère Gamma 1 sur un cliché moyen
Intro | Présentation du drone | Description de l’écoulement | Contrôle | Perspectives
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Description de l’écoulement vortex
Epaisseur de vorticité
Paramétre de swirl (data)
Vortex d’épaisseur
Vortex d’apex
Tip Vortex
x/c=45%
Intro | Présentation du drone | Description de l’écoulement | Contrôle | Perspectives
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Description de l’écoulement substructures (Gamma2)
x/c=45%
Cliché instantané Utilisation du critère Gamma 2 sur un cliché instantané
Intro | Présentation du drone | Description de l’écoulement | Contrôle | Perspectives
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Description de l’écoulement substructures (Gamma2)
x/c=70%
Intro | Présentation du drone | Description de l’écoulement | Contrôle | Perspectives
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Description de l’écoulement
Région d’écoulement attaché
Disparition de la région d’écoulement attaché
Apparition du tip vortex
Remontée du tip vortex
Renforcement du tip vortex
Éclatement du tip vortex
et du vortex d’apex
• En résumé• 2 grandes régions
d’écoulement
• Forte influence du tourbillon de bout d’aile sur le Cmy
• Région 1 : • Vortex d’apex et
d’épaisseur• Apparition et
intensification du tip vortex
• Région 2 : • Remontée du tip
vortex• Éclatement du tip
vortex
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Intro | Présentation du drone | Description de l’écoulement | Contrôle | Perspectives
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Etude expérimentale
• Essais en soufflerie L1• Maquette ONERA d’un UCAV générique de type SACCON• 96 prises de pression stationnaire et 4 prises de pression instationnaire• Bords d’attaques aigus et arrondis• U = 35-50-70 m/s• Étude de transition par infra rouge, Tomoscopie laser, SPIV, visualisation
par bouillie visqueuse
Intro | Présentation du drone | Description de l’écoulement | Contrôle | Perspectives
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Controle de l’écoulement: mise en place de strake
Intro | Présentation du drone | Description de l’écoulement | Contrôle | Perspectives
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Controle de l’écoulement
Intro | Présentation du drone | Description de l’écoulement | Contrôle | Perspectives
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Plan
• Introduction au problème• Contexte • Objectifs scientifiques
• Démarche et déroulement de la thèse• Présentation du drone générique• Description de l’écoulement à l’extrados du drone : Étude CFD• Confrontation simulations numériques et données expérimentales• Nouvelle étude expérimentale • Contrôle de l’instabilités latérales et du Pitch-up
• Conclusions et perspectives
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Conclusions et perspectives• Conclusions :
• Compréhension de l’écoulement à l’extrados du drone• Les simulations numériques de type RANS ne restituent pas de façon
fidèle les données expérimentales• Les simulations numériques donnent une tendance sur les efforts• Les instabilités latérales et du Pitch-up sont contrôlés par des dispositifs
de strake
• Perspectives :• Approfondissement de l’étude par de nouvelles simulations numériques
avec des dispositifs de contrôle• Acquisition de données instationnaires dans une nouvelle étude
expérimentale
Intro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives
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Publications/Communications• Publications :
• Stereoscopic Particle Image Velocimetry Flowfield Investigation of an Unmanned Combat Air Vehicle, E. Roosemboom (DLR) and S. Morgand ,Journal of Aircraft, 2011
• Static and Dynamic SACCON PIV tests, Part I : Forward Flowfield, S. Morgand, A. Gilliot, J-C Monnier, J-F Le Roy, C. Geiler, J. Pruvost, Chapter 5, RTO-AVT 161, 2011
• Communcations :• SACCON CFD Static and Dynamic Derivatives using ElsA, J-F. Le Roy and S.
Morgand, 28th AIAA Applied Aerodynamics Conference, 2010• Static and Dynamic SACCON PIV tests, Part I : Forward Flowfield, A. Gilliot and
S. Morgand, J-C Monnier, J-F Le Roy, C. Geiler, J. Pruvost, 28th AIAA Applied Aerodynamics Conference, 2010
• Caractérisation par PIV de l’écoulement autour d’une maquette générique de Drone de Combat, A. Gilliot, S. Morgand, J-C Monnier, J-F Le Roy, C. Geiler, J. Pruvost, Congrès Francophone de Techniques Laser, 2010
Intro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives
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Formations• Formations :
• Flow Control, 2009• ICEM, 2010• eslA, 2010• Doctoriale X-DGA-ParisTech, 2011• Rédaction de thèse, 2011• Encadrement de G. Steinitz (stagiaire ENS Cachan), 2011
• Annexe :• Mise en place de programmes pour le post-traitement automatique pour
la PIV (critère, point singuliers,POD, wavelet 1D/2D …)
Intro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives
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Merci de votre attention
Questions ?