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Thèse Année : 2014

Civil Aircraft Aero-thermo-propulsive Performance Assessment by an Exergy Analysis of High-fidelity CFD-RANS Flow Solutions

Détermination des performances aéro-thermo-propulsives des avions civils par une analyse exergétique de solutions haute-fidélité CFD-RANS

Résumé

A new exergy-based formulation is derived for the assessment of the aerothermopropulsive performance of civil aircraft. The choice of exergy is motivated by its ability to provide a well-established and consistent framework for the design of aerospace vehicles. The output of the derivation process is an exergy balance between the exergy supplied by a propulsion system or by heat transfer, the mechanical equilibrium of the aircraft, and the exergy outflow and destruction within the control volume. The theoretical formulation is subsequently numerically implemented in a Fortran code named ffx for the post-processing of CFD-RANS flow solutions. Unpowered airframe configurations are examined with grid refinement studies and a turbulence model sensitivity analysis is performed. A numerical correction is introduced and calibrated to obtain an accuracy similar to the near-field drag method. The code is thereby validated against well-tried methods of drag prediction and wind-tunnel tests, when available. The investigation of powered configurations demonstrates the ability of the approach for assessing the performance of configurations with aerothermopropulsive interactions. First, the formulation is validated for the simple case of a turbojet engine for which consistent figures of merit are exhibited. The method is also proved robust for assessing the overall performance of a boundary layer ingesting propulsion system placed on the upper surface of a simplified blended wing-body architecture. Moreover, this configuration enables the investigation of thermopropulsive interactions by the transfer of heat upstream of the propulsion system. Subsequently, the integration of a heat exchanger on a commercial aircraft is examined for which the exergy point of view provides guidelines for an efficient design. The ability of the formulation to consistently assess all these types of subsystems is a clear benefit of this method.
Une nouvelle formulation basée sur la notion d’exergie est introduite pour la détermination des performances aéro-thermo-propulsives des avions civils. Le choix du concept d’exergie est motivé par sa capacité à fournir un cadre de travail bien établi pour la conception de véhicules aérospatiaux. Les performances avions sont établies à partir d’une équation bilan qui met en relation l’exergie fournie, par un système propulsif ou par transfert de chaleur, l’équilibre mécanique de l’appareil, et sa destruction partielle dans le volume de contrôle. Cette formulation théorique est ensuite implémentée numériquement dans un code Fortran, appelé ffx, pour le post-traitement de solutions CFD-RANS. Des configurations non propulsées sont étudiées avec raffinement de maillage et une analyse de la sensibilité du code au modèle de turbulence employé pour obtenir la solution CFD est réalisée. Le code est ainsi validé par rapport à des méthodes éprouvées de détermination de la traînée et à des essais en soufflerie, si disponibles. L’approche est ensuite appliquée pour la détermination des performances de configurations propulsées présentant de fortes interactions aéro-thermo-propulsives. Dans un premier temps, la cohérence de la formulation est validée pour un turbojet pour lequel des indicateurs de performances cohérents sont obtenus. La méthode est également prouvée robuste pour l’analyse des performances globales de l’ingestion de couches limites par un moteur placé à l’arrière d’une aile volante simplifiée. Cette architecture permet également l’étude des interactions thermopropulsives lors d’un transfert de chaleur imposé en amont du système propulsif. Enfin, l’intégration d’un échangeur de chaleur sur un avion commercial est examinée pour en déduire des recommandations pour une conception efficace d’un point de vue exergétique. La capacité de la formulation à pouvoir traiter de façon cohérente ces différents types de sous-systèmes est le principal avantage de cette méthode.
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Dates et versions

tel-01113135 , version 1 (04-02-2015)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01113135 , version 1

Citer

A. Arntz. Civil Aircraft Aero-thermo-propulsive Performance Assessment by an Exergy Analysis of High-fidelity CFD-RANS Flow Solutions. Fluids mechanics [physics.class-ph]. Université de Lille 1, 2014. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01113135⟩

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