Développement d'une méthodologie pour la simulation haute fidélité de l'aérodynamique des micro-drones

Overview & Synopsis

L'objectif cette thèse est le développement d'une méthodologie permettant la simulation haute fidélité de tous types de géométries de micro-drones.Bien que ces véhicules soient très présents dans l'espace aérien, la physique des écoulements qu'ils induisent est encore mal connue, en outre ils sont associés à des problématiques de nuisance acoustique.L'écoulement autour de ces derniers présente des phénomènes complexes de mécanique des fluides tels que la transition laminaire-turbulent, la séparation ou encore un bulbe de décollement laminaire.La Simulation des Grandes Échelles (Large Eddy Simulation - LES) est mise en œuvre dans cette étude car elle permet de prendre en compte avec précision les phénomènes complexes mis en jeu dans la couche limite des hélices de drone, au contraire des approches de plus basses fidélités.Une autre problématique liée aux drones est leur géométrie complexe, qui peut grandement compliquer l'étape de génération de maillage en vue de leur simulation. Dans cette optique, les méthodes Chimère et de frontières immergées sont utilisées pour simplifier cette étape. La première permet de mailler indépendamment et plus simplement chacune des pales à l'aide de maillages structurées curvilignes, tandis que la seconde permet de s'affranchir de la génération d'un maillage conforme autour du fuselage. Un couplage entre ces deux méthodes est finalement développé pour la simulation d'éléments géométriques très proches les uns des autres.Tout d'abord, les résultats d'une simulation LES sont présentés pour un rotor dont la géométrie des pales est entièrement définie analytiquement. Cette simulation permet de mettre en évidence la présence d'un bulbe de séparation laminaire ainsi que des mécanismes de rattachements et de décollements laminaires et turbulents. Elle met également en évidence les différentes sources de bruit générées par les hélices.Par la suite, une étude sur la montée en complexité géométrique permet de mesurer l'effet de l'ajout des différentes parties du drone sur les performances du rotor. En particulier, ces simulations mettent en avant l'impact du moyeu et des bras sur les efforts aérodynamiques, ainsi que les émissions acoustiques globales.Au terme de cette thèse, un drone complet est finalement simulé à l'aide de l'ensemble des éléments méthodologiques introduits dans le cadre de ces travaux. Les efforts globaux ainsi que l'acoustique complète du drone sont analysés. Cette application représente la première simulation connue d'un drone complet réalisée à l'aide d'une approche LES.