Modélisation et estimation des écoulements aérodynamique instationnaires à haut nombre de Reynolds – MISTERY

Dans la couche limite atmosphérique, un nombre croissant de systèmes d'ingénierie sont soumis à des écoulements aérodynamiques instationnaires, comme par exemple les pales d'éoliennes, les hélicoptères et les aéronefs. Les interactions avec la turbulence de l'atmosphère génèrent de grandes fluctuations de charges, sources d'une usure prématurée de la structure des systèmes et d'une réduction de l'efficacité de leur contrôle aérodynamique. La compréhension et la modélisation de ces interactions est un enjeu essentiel pour l'aérodyamique instationnaire, mais peu de résultats sont disponibles aux grands nombres de Reynolds (supérieurs à 10^6) pour lesquels les pales et les véhicules aériens opèrent. En outre, aux angles d'attaque correspondant à une portance maximale, l'écoulement autour de l'aile devient tri-dimensionnel. Une meilleure compréhension des écoulements instationnaires autour d'une aile permettrait donc d'améliorer la prédiction des forces aérodynamiques et de mettre en oeuvre des modèles plus efficaces pour le contrôle des systèmes dans des conditions d'opération réelles. Toutefois, ceci n'est pas possible actuellement en l'absence de données expérimentales à haut nombre de Reynolds dans un environnement turbulent contrôlé, c'est-à-dire pour lequel il est possible de mesurer la dynamique des structures tri-dimensionnelles de l'écoulement et la réponse en pression pariétale.Cette proposition commune SNF-ANR a pour objet de relever les trois défis de recherche suivants:

- Evaluer l'influence des différentes échelles turbulentes sur les fluctuations de charge et la séparation de l'écoulement sur une aile aux grands nombres de Reynolds
- Mettre au point et évaluer des modèles d'ordre faible s'appuyant sur la physique pour estimer le champ aérodynamique turbulent et quantifier l'incertitude de cette estimation à partir d'un nombre minimal de capteurs
- Intégrer le modèle le plus adapté dans un système de mesures robustes permettant le calcul rapide et embarqué des fluctuations de charges

Pour faire face à ces défis, nous avons formé un consortium interdisciplinaire comprenant des chercheurs en dynamique des fluides (OST-IET, CSTB, EM2C), en dynamique des structures et modélisation informée par les données (ETHZ-CSMM), et en électronique et systèmes embarqués (ETHZ-PBL). Le consortium utilisera une pale d'éolienne à échelle réelle déjà construite et installée au CSTB dans la soufflerie Jules Verne, unique en Europe, où il est possible de contrôler les échelles spatiales et temporelles de l'écoulement turbulent incident.
Le projet comprend trois lots. Dans le premier lot, les caractéristiques spatio-temporelles de l'écoulement instationnaires seront analysées à partir
des mesures de pression pariétales et de mesures de vitesse résolues en temps acquises dans la soufflerie du CSTB. L'objectif sera de déterminer les échelles turbulentes influençant le plus les charges aérodynamiques instationnaires mesurées sur la pale. Le deuxième lot consistera à construire des modèles d'ordre faible permettant d'évaluer la structure de l'écoulement instationnaire et les fluctuations de charge correspondantes
en estimant l'écoulement instationnaire incident à l'aide d'un nombre minimal de capteurs. Notre approche fortement interdisciplinaire conduira à des résultats originaux et une méthodologie innovante fusionnant modèles physiques, techniques d'apprentissage automatique et traitement du signal embarqué. Le dernier lot sera consacré à la mise en oeuvre du modèle d'ordre faible sur des processeurs reconfigurables et soumis à des contraintes opérationnelles. Le système de capteurs sera conçu comme une plateforme de recherche ouverte et sera évalué d'abord dans la soufflerie du CSTB, puis pour une pale d'éolienne sur site. Ce projet fournira à la communauté scientifique des bases de données expérimentales essentielles et uniques, des modèles prédictifs innovants et une plateforme de recherche ouverte et interdisciplinaire.