Interaction fluide-structure et propulsion par ailes oscillantes flexibles

L'un des sujets très en vogue dans la recherche en aéronautique est l'étude des engins volants sans pilote de petite taille, comme les drones, les micro-drones (< 15 cm) et même les nano-drones (< 7cm). Les applications de petite taille évoluant dans l'air sont sujettes à des écoulements aérodynamiques dont le nombre de Reynolds est beaucoup plus petit que dans le cas des applications plus classiques, comme les avions et les hélicoptères. Cette caractéristique a pour conséquence que les systèmes aérodynamiques traditionnels (ailes fixes et voilures tournantes, par exemple) sont moins efficaces. Plusieurs recherches ont déjà démontré que les systèmes à ailes battantes représentent une solution intéressante à ce problème. C'est d'ailleurs par ce mécanisme que les oiseaux et les insectes volent. L'objectif de ce projet de recherche est de caractériser l'effet de la flexibilité des ailes sur un système de propulsion-sustentation à ailes battantes par le biais de simulations numériques.

La première étape de la recherche consiste à mettre au point un logiciel de simulation permettant de résoudre les problèmes de fortes interactions fluide-structure faisant intervenir un corps solide élastique subissant de grands déplacements et un fluide incompressible. La méthode développée est une méthode dite partitionnée, c'est-à-dire que l'on résout séquentiellement les équations du milieu fluide et du milieu solide. L'interaction entre les deux milieux est assurée par une interface de couplage. Ce type d'algorithme est reconnu comme étant instable lorsque l'interaction fluide-solide est forte. Afin de pallier à ce problème, un terme de compressibilité artificielle ayant un effet stabilisant a été implémenté. L'algorithme qui en résulte est à la fois simple, efficace et modulaire.

                                                                 Simulation de référence de Turek et Hron.

La deuxième étape concerne directement l'étude physique des ailes oscillantes flexibles. On cherche à établir l'effet de la flexibilité sur la propulsion et l'efficacité d'une aile oscillante. De plus, on tentera de déterminer dans quelles circonstances la déformation de l'aile dépend de l'inertie de cette dernière ou des forces de pression qu'elle subit. Il sera également intéressant de démontrer sous quelles conditions on peut efficacement utiliser la déformation de l'aile comme mécanisme passif pouvant remplacer un mouvement de rotation imposé.

                               Reproduction par simulation numérique 2D d'une expérience de Heathcote et Gursul.