Thèse ou mémoire avec insertion d’articles / L'électrification des transports, de pair avec l'émergence de la mobilité aérienne urbaine, créer un regain d'intérêt du secteur de l'aéronautique envers les hélices carénées. Cette technologie se veut intéressante pour ces deux champs d'application en raison du gain d'efficacité qu'elle peut permettre pour les missions où le vol stationnaire ou à basse vitesse représente une partie significative du temps de vol de l'appareil. Ceci est sans compter leur émission sonore réduite et leur sécurité améliorée, deux aspects inhérents aux hélices carénées. Lors de la conception de ces systèmes, l'ingénieur peut, en fonction de ses besoins, utiliser des outils simples et rapides comme la théorie de la quantité de mouvement et les méthodes numériques en découlant ou encore des outils plus fidèles à la vraie physique, mais côuteux en temps et en ressources comme la CFD (Computational Fluid Dynamics). Il existe, pour des rotors non-carénés, des outils numériques pouvant être qualifiés de fidélité moyenne et qui sont intéressants au moment de la conception préliminaire lorsqu'une précision supplémentaire est nécessaire, mais que l'utilisation de la CFD résolvant la couche limite jusqu'à la paroi n'est pas envisageable. L'adaptation de ces outils de moyenne fidélité aux rotors carénés est, toutefois, des années en retard en comparaison à l'état de l'art pour des rotors non-carénés. Inspiré d'une de ces méthodes de moyenne fidélité nommée la modélisation par ligne actuatrice (acronyme anglais ALM) qui est bien implémentée pour des rotors non-carénés, le présent travail cherche à étendre l'utilisation de cette technique à des hélices carénées et à en évaluer les performances. Le projet est mené en collaboration avec Bell Textron Canada® qui fournit les géométries à l'étude ainsi que des données expérimentales pour la validation des simulations par ligne actuatrice. Comme la physique d'une hélice carénée est complexe et dépend d'une forte interaction entre l'hélice et le carénage, des cas de validation plus simples sont aussi utilisés pour valider différents aspects du code de simulation. Les résultats obtenus avec l'ALM montrent que cette technique peut être utilisée comme outil de simulation pour les géométries carénées, notamment pour calculer les courbes de performance d'un système, ainsi que pour étudier l'effet de changements macroscopiques tels que le nombre de pales, la vitesse de rotation ou le diamètre du rotor. Certaines faiblesses de la technique sont aussi soulevées. Il s'agit particulièrement d'effets plus locaux comme le comportement du chargement en bout de pale. Néanmoins, l'ALM appliqué aux géométries carénées permet d'identifier rapidement, et à un coût de calcul moindre, les idées de conception ou les conditions d'opération les plus intéressantes. Ce travail aborde la théorie pertinente au modèle numérique de l'ALM, les modèles physiques sous-jacents, ainsi qu'une comparaison détaillée des résultats ALM avec ceux obtenus en CFD et en soufflerie. Plusieurs pistes d'améliorations sont aussi proposées pour de futurs travaux de recherche. / The emerging market of urban air mobility alongside the increasing number of hybrid-electric or purely electric propulsion systems has renewed the interest of the aeronautical sector for ducted fans. Ducted propulsion systems are particularly well suited for these use cases, as they often result in power savings during flight missions where hovering and low flight speed are prominent. Other advantages of ducted fans include lower and more directional sound emissions and inherently increased safety. When designing these systems, the aerodynamicist can choose between rapid but low-fidelity tools such as numerical methods based on the momentum theory, or more accurate but also more time-consuming tools such as wall-resolved CFD. In between these two extremes, there are also medium-fidelity tools available if a more detailed solution is needed but resorting to wall-resolved CFD is still cost-prohibitive. Although medium-fidelity methods are well developed and continue to make progress for conventional unducted rotors, their application to their ducted counterpart is years behind the state of the art for open rotors. Inspired by one of these medium-fidelity methods called the Actuator Line Method (ALM), which is widely adopted by the scientific community and extensively used for open rotor simulations, the aim of this work is to extend the ALM to ducted geometries. This research project is conducted in collaboration with the industrial partner Bell Textron Canada® which provided the studied ducted fan geometry as well as experimental data used to validate the ALM code. Since the flow inside a ducted propulsion system is quite complex and involves a strong interaction between the duct and the rotor, simpler validation cases are also used to validate specific attributes of the ALM code. The ALM results indicate that the technique is suitable for simulating ducted propulsion systems. It is particularly interesting for rapid computation of performance curves and for evaluating the effect of macroscopic changes such as the number of blades, rotational speed or rotor diameter. Shortcomings in the predictive capabilities are also reported concerning more local effects, such as the behaviour of the blade loading at the tip of the blade. Nevertheless, the ALM developed in this work still allows the design space to be explored rapidly and at a reduced computational cost when compared with wall-resolved CFD. This work presents the theory behind the ALM code, the underlying physical models as well as a detailed comparison of the ALM results with wind tunnel and wall-resolved CFD data. Numerous improvements to the code are also proposed for future research on the subject.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/125583 |
| Date | 04 October 2023 |
| Creators | Breault, Marc-Antoine |
| Contributors | Dumas, Guy |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Mémoire de maîtrise |
| Format | 1 ressource en ligne (xviii, 127 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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