Steady and unsteady body-force modeling of propeller aerodynamics
Modélisation aérodynamique d'hélices par méthode body-force stationnaire et instationnaire
Résumé
More and more aircraft prototypes are based on propeller propulsion (eVTOL, distributed electric propulsion, regional aircraft). Unlike turbojet engines, which are shrouded, propellers interact significantly with the airframe. One of the major challenges in developing these aircraft is to quantify the interaction effects on aerodynamic performance, i.e. to assess the impact of propeller and/or rotor positioning on the flight envelope. To achieve this, numerical simulation methods are used, with more or less detailed modeling of the propulsion system depending on the purpose of the simulation. Today, two types of methods are favored:— Unsteady simulations which model the flow around the rotating blades by solving the unsteady Navier-Stokes equations. This method provides an accurate description of the wake, but its computation cost can be prohibitive during the design phase.— Steady simulations that model propellers using source terms in the Navier-Stokes equations. This method significantly saves computation time compared to a full simulation, since it is steady and avoids meshing the propeller blades. However, because it is steady, it cannot account for certain unsteady phenomena that can be critical.The aim of this thesis is to gain a better understanding of how the steady source term models work, and to develop a method for unsteady propeller modeling using source terms. The latter is based on the ''Actuator Line'' method, which provides a realistic representation of the wake, and in particular of the blade tip vortex structures. This method, which is widely used in wind turbine sector (incompressible flows, few blades), needs to be extended and validated for propellers (compressible flows, high number of blades, high loading). The final objective is to use these two models to capture the mutual aerodynamic interactions between propeller wake and wing, when the engine is placed in front of a lifting surface.The study of the steady model, called RANS/BET, has led us to general conclusions about propeller modeling using source terms. These relate to the computation of the propeller loads using the blade element theory, the distribution of source terms in the computational domain, and the importance of the source term in the energy equation. Several tip-loss corrections were also compared. The final model was evaluated for several blade pitch angles in axial flight, and for incidence angles from 3° to 9°. For each flight point, thrust is predicted within 2% of the blade-resolved reference, and power within 1%. Blade loads are analyzed in detail. The model reproduces the velocity fields with a fidelity of the same order of magnitude as for the propeller loads.The unsteady model has been implemented in an original manner, and evaluated on the same flight points as the steady model. It systematically overestimates loads by around 5%, especially at the blade tip. This discrepancy was found to be relatively independent of model parameterization and mesh size, whereas the models described in the literature are very sensitive to all these parameters. The model also reproduces the propeller wake very well, and a study of blade tip vortices has been carried out.Both models are evaluated for a propeller placed in front of a wing. The load distribution along the wing is very well predicted, both time-averaged and time-accurate for the actuator line model. The effect of the wing disturbance on propeller performance is also well captured, with deviations of the same order of magnitude as in the isolated configuration.
De plus en plus de prototypes d’aéronefs se basent sur une propulsion à hélices (eVTOL, propulsion électrique distribuée, avions régionaux). Contrairement aux turboréacteurs qui sont carénés, les hélices interagissent fortement avec la cellule avion. Un des enjeux majeurs du développement de ces appareils est de quantifier les effets d’intégration sur les performances aérodynamique, c’est-à-dire d’évaluer l’impact du positionnement des hélices et/ou rotors sur l’enveloppe de vol. On utilise pour cela des méthodes de simulations numériques des écoulements avec des modélisations plus ou moins fines du système propulsif en fonction de la finalité de la simulation. De nos jours deux types de méthodes sont privilégiées :— Une simulation instationnaire qui modélise l’écoulement autour des pales en rotation en résolvant les équations de Navier-Stokes instationnaires. Cette méthode décrit le sillage de façon précise mais a un coût de calcul et un temps de restitution qui peuvent être prohibitifs lors des phases de conception.— Une simulation stationnaire qui modélise les hélices par des termes sources dans les équations de Navier-Stokes. Cette méthode permet de significativement gagner en temps de calcul par rapport à une simulation complète car elle est stationnaire et permet d’éviter de mailler les pales de l’hélice. Toutefois, du fait de son aspect stationnaire, elle ne permet pas de rendre compte de certains phénomènes instationnaires pouvant être dimensionnants.L’objectif de la thèse est d’une part de mieux comprendre comment fonctionnent ces modélisations par termes sources stationnaires, et d’autre part de développer une modélisation instationnaire d’hélices par termes sources. Celle-ci s’appuie sur la méthode dite ''Actuator Line'' et permet de représenter de façon réaliste le sillage tourbillonnaire des pales. Cette méthode, répandue dans le domaine éolien (écoulements incompressibles, faible nombre de pales), doit être étendue et validée pour la problématique des hélices (écoulements compressibles, nombre de pales élevé, fort chargement). Le but final est d’utiliser ces deux modèles pour capturer les interactions aérodynamiques réciproques entre le système propulsif et la cellule de l'appareil.L’étude du modèle stationnaire, appelé RANS/BET, a permis de tirer des conclusions générales sur la modélisation d’hélices par termes sources. Celles-ci portent notamment sur le calcul des efforts par la théorie de l’élément de pale, la distribution des termes sources dans le domaine de calcul et sur l'importance du terme source dans l’équation de l’énergie. Plusieurs corrections de bout de pale ont aussi été comparées. Le modèle final a été évalué sur une hélice pour plusieurs angles de calage en vol axial et pour des incidences de 3° à 9°. Pour chaque point de vol, la traction est prévue à 2% de la référence pale maillée, et la puissance à moins de 1%. Les efforts sur pale sont analysés en détail. Le modèle reproduit les champs de vitesse aussi fidèlement que les efforts.Le modèle instationnaire, implémenté de manière innovante, a été évalué sur les mêmes cas d'application. Il surestime systématiquement les charges de 5% environ, surtout en tête. Cet écart est peu sensible au paramétrage du modèle et au maillage, là où les modèles décrits dans la littérature sont très sensibles à ces paramètres. Le modèle restitue également très bien le sillage tourbillonnaire de l’hélice.Les deux modèles sont aussi évalués dans le cas d’une hélice en interaction avec une aile. La distribution des charges sur l’aile est très bien prévue, à la fois en moyenne temporelle et en instantanée. La perturbation de l’aile sur la performance hélice est également bien capturée, avec des écarts du même ordre de grandeur qu’en configuration isolée.
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