Améliorer l’efficacité énergétique des avions par un meilleur contrôle des écoulements
Les émissions de l’aviation comptent parmi les sources de gaz à effet de serre dont la croissance est la plus rapide. La demande des passagers ne cessant d’augmenter, il est essentiel de trouver des solutions innovantes capables de rendre les avions plus écologiques si l’on veut atteindre la neutralité climatique. L’optimisation des performances aérodynamiques peut contribuer de manière importante à réduire la consommation d’énergie des avions, tout en améliorant leur stabilité et en réduisant les niveaux de bruit. Dans ce contexte, le Fluid (contrôle des écoulements) constitue un axe de recherche clé. Le projet PERSEUS, financé par l’UE, a mis au point une méthode pour optimiser la conception d’un dispositif de contrôle de l’écoulement d’air destiné à réduire ce que l’on appelle la séparation de couche limite. Ce phénomène se produit lorsque l’écoulement d’air se «détache» de la surface de l’avion et impacte les performances. «Il se manifeste dans un certain nombre de situations», explique Nicolas Mazellier, professeur de mécanique des fluides à l’université d’Orléans, hôte du projet. «Il se produit notamment durant le décollage et l’atterrissage, mais aussi lorsque des obstacles perturbent l’écoulement, par exemple à la jonction entre l’aile et la aéronautique (nacelle).» La séparation de couche limite crée des zones de turbulence qui produisent des vibrations et du bruit, augmente les émissions et peut provoquer des instabilités. Dans les cas extrêmes, elle peut affecter la capacité du pilote à contrôler l’avion: «Le décrochage est l’une des conséquences les plus dramatiques des séparations massives», explique Nicolas Mazellier.
Une plus grande efficacité grâce au contrôle actif
L’équipe de PERSEUS a adopté une nouvelle approche afin de résoudre ce problème. Ils ont développé une méthodologie qui prend comme point de départ les problèmes apparaissant à la jonction aile-nacelle et utilise les équations de la mécanique des fluides pour guider la conception d’un actionneur fluidique optimisé pour le contrôle des écoulements. Ces actionneurs sont utilisés dans diverses situations en aéronautique pour manipuler le flux d’air. Les actionneurs à jet pulsé développés par l’équipe de Nicolas Mazellier génèrent des jets d’air rapides afin de réduire l’effet des séparations de couche limite tout en utilisant le moins d’énergie possible. «Le contrôle dit actif permet de réguler l’écoulement uniquement lorsque c’est nécessaire pour obtenir des effets élevés pour un coût énergétique moindre», explique Nicolas Mazellier. Il s’agit d’un véritable défi, ajoute-t-il: si les systèmes existants sont efficaces d’un point de vue aérodynamique, ils ajoutent un poids important et sont difficiles à manœuvrer.
Jusqu’à 20 % de gains énergétiques nets
Les actionneurs à jet pulsé utilisés dans le cadre du projet PERSEUS pourraient remédier à certains de ces défauts. Réunissant le savoir-faire d’experts dans les domaines de la micromécanique, de la microfluidique et de la simulation numérique haute fidélité, l’équipe a pu réaliser l’un des tout premiers calculs numériques haute fidélité de l’écoulement interne d’un actionneur. «En relevant ce défi scientifique majeur, nous avons beaucoup appris sur la physique du processus de commutation à l’origine du caractère bistable des actionneurs à jet pulsé que nous avons développés», explique Nicolas Mazellier. L’équipe a combiné la modélisation numérique à des essais en soufflerie afin d’optimiser la conception interne des actionneurs. Ne contenant aucune pièce mécanique, ils sont extrêmement fiables. Les essais ont démontré la haute efficacité de la stratégie de contrôle pour un faible coût d’exploitation, affichant des gains potentiels d’énergie nette allant jusqu’à 20 % dans les phases critiques proches d’un décrochage.
Des applications au-delà de l’aéronautique
La mise sur le marché des innovations de PERSEUS nécessitera des recherches supplémentaires afin de mettre à l’échelle les outils développés en laboratoire et de les préparer à un déploiement à l’échelle industrielle. En plus d’aider à résoudre un problème aéronautique, la méthodologie de PERSEUS pourrait avoir des applications au-delà de ce secteur. Les techniques d’optimisation qu’elle permet pourraient contribuer à réduire la consommation d’énergie dans d’autres domaines tels que les systèmes de chauffage et de refroidissement.
Mots‑clés
PERSEUS, aérodynamique, contrôle des écoulements, séparation de couche limite, actionneur fluidique, actionneur à jet pulsé, émissions de l’aviation, turbulence
