Fléau de l’aviation :
Les turbulences de sillage
Quelques solutions techniques Marine NUVOLI – Flavien DOUBRERE
Introduction
Turbulences de Sillage : Tourbillons marginaux contrarotatifs ou tourbillons de Prandtl Gradient de pression
Vitesse incidente
Effet de bord
Création du vortex
Elargissement des tourbillons marginaux par la nappe de tourbillons libres créés par l’aile
Risques lors du décollage, atterrissage et vol rapproché Accidents / Perturbations de vol pour des avions alentours Augmentation de la trainée : Perte de performance / Consommation accrue 2
Introduction
Mise en évidence des tourbillons marginaux
Problématique : Dans quelle mesure les solutions techniques permettent-elles de limiter ce phénomène nuisible ? Etapes de travail : Contexte, Pré-étude, Résultats & Analyses, Comparaisons 3
Introduction
Winglets :
Concept mis au point dans les années 70 par la NASA Ailettes situées à l’extrémité des ailes Amélioration des performances sans générer plus d’efforts Réduction de la trainée Diminution des tourbillons marginaux Portance quasi inchangée
Economie de carburant Zone de sécurité réduite entre avions Réduction des nuisances sonores
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Contexte de l’étude
Présentation modèle d’étude :
Modèle d’avion : A320 Dimensions :
37 mètres de long 32 mètres d’envergure
Modèle CAO téléchargé, nettoyé et aile profilée (profil classique) Etude sur une moitié d’avion
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Contexte de l’étude
Hypothèses de calcul :
Vitesse de l’écoulement (au décollage) : 200 km/h = 55 m/s
Nombre de Mach : M=0,16 Ecoulement subsonique
Nombre de Reynolds : - Masse volumique : ρ = 1,225 kg/m-3 - Viscosité : η = 1,7894 . 10-5 Pl - Longueur caractéristique (Longueur de corde) : 2 m
Re = 7,5. 106 Couche limite turbulente
Ecoulement incompressible, stationnaire et turbulent
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Pré-étude sous ANSYS
Domaine d’étude :
Distances des frontières à partir des bords de l’avion :
30 mètres de chaque coté 30 mètres au dessus et dessous 20 mètres à l’avant 50 mètres à l’arrière
Domaine suffisant
30 m 20 m
50 m
30 m
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Pré-étude sous ANSYS
Précision du maillage :
Maillage par optimisation des statistiques (ratio de forme et inclinaison) Etape difficile : - Nombre de mailles important - Précision attendue - Limite des performances de l’ordinateur
Comparaison et choix du maillage
Nb éléments
Ratio de forme
Inclinaison
Nb éléments
Ratio de forme
Inclinaison
124 000
185, 36
0,99997
2 475 000
18, 94
0.9413
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Pré-étude sous ANSYS
Précision du maillage :
Dimensions caractéristiques des arêtes :
Surfaces extérieures 7 mètres Affinement sur les ailes 3,5 centimètres Affinement sur le reste du fuselage 8 centimètres Inflation sur la peau de l’avion de l’ordre de 15 cm sur 2 à 5 couches
Nombre de mailles entre 2,5 M et 3,4 M
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Pré-étude sous ANSYS
Raffinement couche limite Y+ :
Valeurs maximums de l’ordre de 3500 Limites des performances de l’ordinateur atteintes pour le maillage, les calculs et le stockage en mémoire vive
Convergence des calculs :
Convergence au bout de 300 itérations Temps de calcul moyen :
20 secondes par itération 1h40 par calcul de modèle
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Résultats et Analyses
Aile sans winglet : Résultats :
Indicateur de vortex : Velocity Swirling (rad/s)
Max ≈ 72 rad/s
Elargissement du vortex : Nappe de tourbillons libres
Un unique grand vortex
Nappe de petits tourbillons
Vortex
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Analyse sans winglet :
Résultats et Analyses
Champ de pression
Dépression
Surpression
Mouvements d’air Champ de vitesse
Sens de l’écoulement
Fort gradient de pression Energie importante due aux mouvements libres de l’air, de l’intrados vers l’extrados Intensité de la vitesse tourbillonnaire déduite de cette énergie
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Résultats et Analyses
Winglet effilé : Résultats :
Winglet dans le plan de l’aile Augmentation de la surface portante Indicateur de vortex : Velocity Swirling Max ≈ 37 rad/s Présence de deux tourbillons : Un faible dans le creux Un fort vers la pointe Les deux fusionnent ensuite
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Analyse winglet effilé : Champ de pression
Résultats et Analyses Lignes de courant
Mouvements d’air
Quasi-suppression de l’effet de bord
Pression sur l’extrados
Libération progressive des mouvements d’air le long du winglet
Winglet non profilé Pressions plus homogènes au niveau du winglet Gradient de pression plus faible Vitesse tourbillonnaire moins intense
Fin du profil d’aile
Pression sur l’intrados
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Résultats et Analyses
Sharklet : Résultats :
Winglet normal au plan de l’aile Envergure inchangée Indicateur de vortex : Velocity Swirling Max ≈ 30 rad/s Présence de deux tourbillons : Un faible sur la partie courbée Un fort vers la pointe Les deux fusionnent ensuite
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Analyse sharklet :
Résultats et Analyses
Mouvements d’air
Champ de pression
Guidage des mouvements d’air le long du winglet
Déport du vortex principal en bout
Tourbillon parasite
Inclinaison du bord d’attaque du sharklet
Winglet non profilé Pressions plus homogènes au niveau du winglet Gradient de pression plus faible Vitesse tourbillonnaire moins intense
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Résultats et Analyses
Spiroid Winglet : Résultats :
Winglet en forme de boucle Absence de bords Indicateur de vortex : Velocity Swirling Max ≈ 39 rad/s
Continuité de tourbillons (contours du winglet): Un fort à la jonction avec l’aile Faibles ailleurs Ils fusionnent ensuite
Dissipation rapide
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Analyse spiroid winglet :
Résultats et Analyses
Champ de vitesse
Sens de l’écoulement
Réduction de la section de passage de l’air dans le winglet Accélération des flux d’air non perturbés dans la boucle du winglet
Pas d’effet de bord Pas de mouvements d’air brutaux / circulaires des hautes pressions vers les basses Prolongement sur le winglet de la nappe de tourbillons libres de l’aile
Tourbillon parasite
Mauvaise jonction du winglet sur l’aile
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Résultats et Analyses
Winglet Minix (à fentes hélicoïdales) : Résultats :
Winglet cylindrique avec 3 fentes hélicoïdales
Concept repris par la NASA
Indicateur de vortex : Velocity Swirling Max ≈ 37 rad/s
Tourbillons en sortie du tube : Deux fortes structures tourbillonnaires Pas de tourbillons en dehors du tube
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Résultats et Analyses
Analyse winglet Minix : Flux canalisés
Champ de vitesse
Champ de pression
Mouvements d’air
Mouvements d’air
Réduction de la section de passage d’air dans le winglet Accélération des flux d’air dans le tube
Mouvements d’air seulement au travers des fentes hélicoïdales
Homogénéisation des pressions par étapes
Flux créant les vortex :
Canalisés et lissés par l’air accéléré dans le tube
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Comparaison
Valeurs obtenues : Velocity Swirling
Base
72 rad/s
Effilé
- 49 %
Sharklet
- 58 %
Spiroid
- 46 %
Minix
- 49 %
Tous les winglets réduisent la trainée, dans une certaine mesure
Influence très marquée des winglets sur le tourbillon Même ordre de grandeur de la réduction Plus grande réduction : Sharklet
Trainée
Portance
Base
2 429 N
14 754 N
Spiroid et Minix bien plus efficaces
Effilé
- 0,82 %
+ 3,17 %
Portance sensiblement égale
- 1,24 %
- 1,62 %
Sauf effilé : prolongement de l’aile
Sharklet
- 16,43 %
- 0,06 %
Meilleur compromis : Minix
Spiroid Minix
- 14,82 %
+ 0,67 %
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Conclusion Résultats satisfaisants et cohérents Limites de l’étude : Valeur Y+ trop élevée Manque de précision du maillage Besoin d’un ordinateur plus puissant Manque de justesse dans les résultats Géométrie des winglets à perfectionner Perspective de travail : S ’intéresser aux autres impacts des winglets
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Annexes Sources photos/vidéo :
NASA Langley Research Center Advanced Technologies Testing Aircraft System Minix
Dimensions des Winglets : Effilé : 2 mètres d’envergure, 2,5 mètres de long Sharklet : 1 mètre d’envergure, 1,5 mètres de haut Spiroid : 1,2 mètres d’envergure, 1,3 mètres de haut Minix : 58 cm de diamètre extérieur, 48 cm de diamètre intérieur Tracé de la vitesse azimutale d’un vortex :
Annexes Illustration des tourbillons libres en bord de fuite des ailes :
Aile sans winglet
