Numerical analysis of the multi-section nature of the regional blended wing body aircraft at low speed

Résumé

L’avion a fuselage intégré ou BWB pour ses initiales en anglais est un concept innovant qui assemble tous les éléments d’un avion à l’intérieur d’une unique enveloppe. Cette configuration propose des gains en consommation de carburant ainsi qu’un impact environnemental plus faible. Des nombreux travaux scientifiques utilisent ou développent cette configuration, particulièrement dans le cadre de transport des passagers et dans le cadre de conception de drones. Dans sa modalité de transport de passagers, les travaux aérodynamiques existants se basent prioritairement sur des versions long-courrier en conditions de croisière. Toutefois, les études de marché actuelles montrent une tendance croissante sur la demande d’aéronefs de moyenne portée pour 100-150 passagers. Par ailleurs, la géométrie de cet avion incorpore plusieurs profils aérodynamiques, cordes, angles de flèche et de vrillage distribués sur l’envergure de l’avion. Dans le cas du BWB, ces distributions ne sont pas nécessairement constantes ou même régulières au sens mathématique; ceci donne lieu à différents comportements aérodynamiques en fonction des différentes sections de l’aéronef. Cette nature multi-section prévoit l’existence de fortes interactions entre le corps central et l’aile extérieure de l’avion. Ces interactions – uniques au BWB – seraient particulièrement importantes lors des manoeuvres basse vitesse comme le décollage et l’atterrissage. Ce comportement unique pourrait être exploité pour générer plus de portance naturelle à basse vitesse avant même d’envisager des dispositifs hypersustentateurs. L’objectif de cette thèse est de développer des outils de conception spécifiques au BWB basés sur l’hypothèse d’une interaction unique entre le corps central et l’aile extérieure concernant le décalage du décrochage et l’augmentation naturelle de la portance à basse vitesse pour ce type d’avion. Cette étude original permettrait d’exploiter ces interactions lors des phases de design conceptuel des BWB. La méthodologie adoptée propose l’analyse numérique d’un BWB régional à basse vitesse. D’abord, un modèle géométrique du BWB régional est construit en utilisant des méthodes de design conceptuel couplées aux contraintes géométriques de l’avion. Ensuite le comportement à basse vitesse d’un BWB est comparé à celui d’un avion conventionnel. Le comportement aérodynamique de chaque avion est simulé grâce à des méthodes de volumes finis couplées aux équations RANS appliquées sur une enveloppe d’angles d’attaque centrés autour de l’angle de décrochage. Une fois les différences de comportement ciblées, il est possible de proposer des méthodes pour identifier l’interaction basse vitesse entre le corps central et l’aile extérieure. Dans le cas présent, une analyse de l’influence du vrillage sur la portance maximale est proposée. Des méthodes RANS permettent de simuler le comportement basse vitesse du BWB autour du décrochage avec différents vrillages. Les résultats démontrent bel et bien l’existence d’un couplage exploitable entre le corps central et l’aile extérieure à basse vitesse. Ces résultats sont utilisés pour calibrer un modèle original de calcul de portance maximale pour un BWB à basse vitesse. Cette thèse revoit plusieurs résultats connus de la littérature comme l’intérêt de concevoir le décrochage de l’aile le plus près possible de l’encrage ainsi que l’effet retardateur du vrillage d’une aile sur le décrochage de celle-ci. Quant aux résultats originaux, on retrouve une géométrie de BWB régional utilisée comme point de départ d’autres travaux scientifiques. De plus, un modèle basse fidélité de calcul de portance maximale du BWB est proposé. Par ailleurs, l’analyse comparative à basse vitesse entre un avion conventionnel et un BWB montre que le corps central du BWB apporte une résistance au décrochage inexistante dans l’avion conventionnel. L’analyse du vrillage montre qu’il est possible de coupler le comportement aérodynamique du corps central avec celui de l’aile extérieure afin d’augmenter la génération de portance naturelle. En particulier, il a été démontré qu’une augmentation du vrillage était aussi accompagnée, dans le cas du BWB, par une augmentation de la portance maximale. Les résultats numériques sont utilisés pour calibrer le modèle de portance maximale proposé. Ce modèle est un apport à la communauté scientifique intéressée dans le développement d’ailes complexes et d’avions comme le BWB. En tout, cette thèse aura mis en relief la caractéristique unique des BWB de pouvoir coupler le comportement du corps central avec celui de l’aile extérieure pour maximiser la portance maximale de l’avion et optimiser son point de décrochage global. Les travaux futurs devront se centrer sur l’utilisation de méthodes de simulation numérique plus exactes, pour autant que les ressources numériques le permettent, ainsi que l’exploration de plus de géométries BWB afin de générer un modèle de portance maximale plus robuste. Cela dit, les résultats généraux sont satisfaisants et démontrent des nouveaux avantages du BWB par rapport aux avions conventionnels, cette fois-ci, sous conditions de basse vitesse.

Date	4 déc. 2020
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	François Morency (Directeur(-trice)) & Julien Weiss (Codirecteur(-trice))