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Thèse Année : 2015

Experimental and numerical study of the aerodynamic interaction between two airfoils: application to deep stall aeronautical hazard

Étude expérimentale et numérique de l'interaction aérodynamique entre deux profils : application au risque aéronautique du décrochage profond

Laurent Hetru
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 973805

Résumé

Deep stall is a specific type of airplane stall, in which the horizontal tail, driving the pitching moment, is inside the detached wake of the main wing. The tail loses its efficiency, leading to a stable pitching equilibrium position with a high angle-of-attack, without any easy recovery procedure. The aim of the study is to characterize the aerodynamic associated to that phenomenon in order to propose an identification and recovery procedure. A bibliographical analysis of deep stall flight dynamics and of airfoil interaction is provided. This defines the approach consisting in a two-dimensional flow characterization based on an aeronautical reference configuration. The experimental set-up, developed especially for that study, consists in two NACA 23 012 airfoils, with adjustable angles-of-attack and spacing. The instrumentation is made of strain gauges balances, for forces measurements, and a particle image velocimetry system which is not time-resolved, for flow measurements. Aerodynamic coefficients, obtained for a wide range of angles-of-attack, show the interaction between the airfoils on the stall of the downstream airfoil. The analysis of velocity fields gives the width and the axial development of the airfoils wakes with angle-of-attack and brings to a parametric study of configurations where a downstream potential effect is felt on the upstream airfoil. Phase-averages of velocity fields lead to the synthesis of flow time-development. It is obtained from the localization of the centers of Von Kármán vortices, shed from the upstream airfoil, for detached flow configurations. The Strouhal number built on the shedding frequency shows a good accordance with the bibliographical data available. With these results, a potential model of flow forcing on the downstream airfoil, by Von Kármán vortices shedding from the upstream airfoil, explains the lift coefficient alteration imposed by the interaction, for a moderate angle-of-attack of 15°. However, that model is invalidated for a larger value of angle-of-attack of 30°. Flow numerical simulations, giving time-resolved fields, provide experimental developments for the angles-of-attack 0° and 15°, but meaningful discrepancies appear for 30°, which could be explained by a three-dimensional flow structure. The whole set of results is used, concurrently with real aircraft data, inside a longitudinal flight model in order to analyze the airplane dynamical behavior. The simulations evidence an important default of the damping ratio of the short period mode during the installation of deep stall stable equilibrium. Criteria for the identification of the dynamic leading to that equilibrium provide a rapid detection of deep stall and the implementation of a recovery strategy.
Le décrochage profond est un cas particulier du décrochage d’un avion, où le plan horizontal de l'empennage, dont la fonction est la commande du moment à piquer, est entièrement situé dans le sillage décollé de la voilure principale. Le plan perd ainsi son efficacité, ce qui se traduit par une position d'équilibre en tangage stable, à une incidence élevée, dont il est impossible de sortir par une manœuvre simple. L’objectif de cette étude est de caractériser l’aérodynamique associée à ce phénomène et de proposer une procédure d’identification et de récupération. Une analyse de la littérature disponible sur l’approche du décrochage profond en dynamique du vol et sur les interactions entre profils est d’abord présentée. Elle permet de proposer une démarche visant à caractériser la dynamique bidimensionnelle de l’écoulement autour d’une configuration aéronautique de référence. Le dispositif expérimental, développé spécialement dans le cadre de cette étude, met en œuvre deux profils NACA 23 012, dont les angles d’incidence et les distances de séparation sont réglables. L’instrumentation comporte à la fois des balances à jauges de déformation, pour la mesure des efforts, et un système de vélocimétrie par images de particules non résolu temporellement, pour la caractérisation de l’écoulement. Les coefficients aérodynamiques, obtenus dans une large plage d’incidence, mettent en évidence l’effet de l’interaction entre les profils sur le décrochage, qui impacte principalement le profil aval. L’analyse des champs de vitesse fournit l’étendue et l’évolution axiale des sillages des profils selon l’incidence et permet de réaliser une étude paramétrique des configurations où un effet potentiel remontant affecte le profil amont. Un traitement des champs de vitesse par moyennes de phase permet de reconstruire la dynamique temporelle. Il est réalisé à partir de la localisation des centres des tourbillons de Von Kármán émis par le profil amont en configuration d’écoulement décollé. Le nombre de Strouhal construit sur la fréquence de ce phénomène présente un bon accord avec les données disponibles dans la littérature. À partir de ces résultats, un modèle potentiel de forçage de l’écoulement autour du profil aval, par les tourbillons de Von Kármán du profil amont, permet d’expliquer la modification du coefficient de portance imposé par l’interaction pour une incidence modérée de 15°. Cependant, ce modèle est mis en défaut pour une incidence plus forte de 30°. Des simulations numériques de l’écoulement, qui fournissent des champs résolus en temps, permettent de retrouver certaines évolutions expérimentales pour les incidences 0° et 15°, mais des écarts significatifs apparaissent pour 30° et semblent indiquer que l’écoulement présente une structure tridimensionnelle. L’ensemble des résultats est utilisé, en parallèle à des données issues d’un aéronef réel, dans un modèle de vol longitudinal afin d’analyser le comportement dynamique de l’avion. Les calculs mettent en évidence un déficit important de l’amortissement du mode d’oscillation d’incidence lors de l’établissement de l’équilibre stable du décrochage profond. Des critères permettant d’identifier la dynamique qui conduit à cet équilibre, fournissent une détection précoce de ce dernier et la mise en œuvre d’une stratégie de rétablissement.
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Dates et versions

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Paternité - Pas d'utilisation commerciale - Pas de modification

Identifiants

  • HAL Id : tel-01242919 , version 1

Citer

Laurent Hetru. Étude expérimentale et numérique de l'interaction aérodynamique entre deux profils : application au risque aéronautique du décrochage profond. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université d'Aix Marseille, 2015. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01242919⟩

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