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Aeroelastic Gust Modelling

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Un vol en douceur au milieu des turbulences aériennes

La conception d’avions plus légers promet de réduire l’empreinte carbone de l’aviation, mais ils doivent se montrer suffisamment solides pour résister aux rafales de vent. Des chercheurs financés par l’UE ont développé des modèles virtuels d’une précision sans précédent pour prévoir rapidement ces charges, permettant ainsi d’élaborer des conceptions d’avions radicalement nouvelles.

Transports et Mobilité

Le changement climatique augmente la fréquence des turbulences dans les voyages aériens. Une turbulence, même faible, est susceptible d’être source d’inconfort et de blessures chez les agents de bord mais il n’y a pas grand chose que les pilotes puissent faire pour rendre les voyages moins chaotiques: une turbulence est invisible à l’œil nu et s’avère indétectable sur les radars. Les avions plus légers seront plus économes en carburant et émettront moins de carbone, mais permettent-ils également un vol plus tranquille? Pour traiter ce problème, les concepteurs ont besoin de meilleurs outils pour prévoir les charges dynamiques et optimiser leur conception. Les chercheurs ont lancé le projet AEROGUST, financé par l’UE, afin d’étudier en profondeur la manière dont les turbulences interagissent avec les avions. Une meilleure compréhension des turbulences permettra des conceptions plus légères, réduisant potentiellement les marges de sécurité excessives. Moins de besoins en termes d’essais en soufflerie «Développer de nouvelles méthodes pour résister aux turbulences atmosphériques est essentiel pour concevoir et certifier les avions et les éoliennes», remarque Ann Gaitonde, coordinatrice scientifique conjointe d’AEROGUST. Dans les deux cas, des vents violents peuvent créer des charges importantes sur les structures. Pour concevoir des structures sûres, il faut impérativement connaître la force maximale de ces charges. Cela permet aux constructeurs d’avions ou d’éoliennes de déterminer la résistance et la solidité des parties critiques des structures pour résister aux contraintes maximales auxquelles elles sont susceptibles d’être exposées, en vol ou en exploitation. «Actuellement, la plupart des données expérimentales concernant les turbulences sont recueillies au cours de tests coûteux en soufflerie, une étape assez tardive du processus de conception, quand les options de conception sont déjà réduites», ajoute le Dr Gaitonde. Cela rend difficile d’évaluer rapidement les adaptations dans la conception des surfaces aérodynamiques. En outre, peu de souffleries dans le monde sont capables de reproduire avec précision les conditions en vol d’un avion de taille normale. Des conceptions plus précises de modèles d’avions réalisées avant les essais réduiront la nécessité de repenser de nouveaux modèles après les essais en soufflerie. Cela permet de gagner du temps et de l’argent, mais aussi d’explorer de nouvelles configurations de conception, y compris l’utilisation de différents matériaux plus flexibles. Remettre en question les pratiques actuelles La mécanique des fluides numérique (MFN) permet d’effectuer des calculs informatiques de pointe pour la conception aérospatiale moderne. Avec des analyses numériques et des structures de données, il génère des modèles virtuels extrêmement précis qui fournissent un aperçu sans précédent de ce qui se passe réellement avec la circulation de l’air autour de l’avion. La MFN s’avère toutefois trop coûteuse à utiliser pour l’ensemble des simulations de turbulence requises. Jusqu’à aujourd’hui, les chercheurs modélisaient les rencontres des avions avec des rafales à l’aide de méthodes linéaires simples en écoulement instationnaire et de données de flux expérimentales en écoulement stationnaire. L’équipe AEROGUST a utilisé des données de MFN en écoulement instationnaire pour améliorer les simulations de turbulence et des modèles d’ordre réduit afin de réduire les coûts de calcul des simulations basées sur la MFN en ce qui concerne les charges induites par les rafales. L’inclusion d’effets non linéaires structurels et aérodynamiques dans de tels modèles permet de concevoir des structures flexibles et innovantes. Les techniques de simulation améliorées développées dans le cadre d’AEROGUST devraient permettre d’élaborer de nouvelles conceptions et configurations et de créer des avions plus respectueux de l’environnement. En outre, elles devraient réduire la nécessité des tests coûteux en soufflerie, économiser temps et argent au stade de la conception, avant la construction de prototypes physiques. Cela garantira la compétitivité de l’industrie aérospatiale européenne à l’avenir. «Si nous pouvons également prévoir l’impact des rafales sur les éoliennes avec plus de précision, les structures pourraient être placées dans des régions plus difficiles comme le cercle polaire arctique et les tropiques», conclut le Dr Dorian Jones, coordinateur scientifique adjoint d’AEROGUST.

Mots‑clés

AEROGUST, conception, turbulence, aéronef, soufflerie, éolienne, mécanique des fluides numérique (MFN), simulation numérique, modèles d’ordre réduit, non–linéaire

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