Introduction à la conception aérodynamique et hydrodynamique
La conception d'ailes, d'hydrofoils ou d'hélices repose sur une compréhension fine des interactions entre les profils aérodynamiques et le fluide dans lequel ils évoluent. Pour aborder ces problématiques, des outils spécialisés comme Heliciel et Mecaflux permettent aujourd'hui de transformer des cahiers des charges complexes en modèles optimisés. Alors que Mecaflux se présente comme un logiciel de calcul simplifié, idéal pour une première approche, Heliciel offre une puissance de modélisation avancée, intégrant des effets physiques cruciaux tels que les pertes en bout d'aile et le vrillage. Comprendre ces outils nécessite une immersion dans les principes fondamentaux de la mécanique des fluides, notamment la théorie de la ligne portante de Prandtl, qui constitue le socle de calcul de ces logiciels.
La théorie de la ligne portante et les phénomènes induits
La méthode de calcul des performances des ailes d'Heliciel utilise la théorie de la ligne portante de Prandtl. Il est tout à fait possible de concevoir votre aile sans maîtriser les fondements mathématiques de cette méthode (c'est même la raison d'être d'Héliciel), mais les notions de vitesses et d'angles induits introduites dans cette méthode sont utiles pour mieux comprendre les résultats donnés par Héliciel. Cette méthode est détaillée sur la page : théorie de la ligne portante.
Il convient de distinguer les performances 2D, des performances réelles (3D) de l'aile qui subit des vitesses induites par les tourbillons générés par la portance. Lorsque Heliciel applique un angle d'incidence "géométrique" (ou calage), l'incidence effective perçue réellement par les profils est modifiée par la vitesse induite par les tourbillons. L'angle de déviation produit par les vitesses induites est nommé "Downwash". L'angle de aeff est l'angle d'incidence effectif réellement perçu par le profil. Dans cet exemple, nous avons laissé Héliciel appliquer l'angle d'incidence correspondant à la finesse maximum théorique (calculé d'après les performances 2D de la base de données de profils). Pour les ailes, les angles d'incidence et de calage sont identiques (ici 8°). On distingue un angle effectif (6.22°) et l'angle de downwash (-1.78°). L'angle de downwash représente la déviation provoquée par les vitesses induites, l'angle effectif réellement perçu par le profil est donc 8° - 1.78° = 6.22°. C'est cet angle qui sera pris en compte pour le calcul des performances de notre aile.
Optimisation de la finesse et incidence : Le rôle du logiciel
L'objectif principal lors de la conception est souvent d'atteindre le meilleur rapport entre portance et traînée, soit la finesse. Si nous laissons Héliciel choisir l'angle d'incidence de notre aile automatiquement, le logiciel choisit par défaut l'angle de finesse maximum théorique. Cet angle de finesse maximum est déterminé par le rapport Cz/Cx optimum du profil. Pour une aile composée de profils différents, cet angle d'incidence optimum peut varier en fonction du profil.
Il est important de noter que si l'on s'écarte de cette valeur optimale, les performances globales de l'aile diminuent. Ceci est logique car nous avons appliqué un angle autre que l'angle de finesse maximum, et ceci se répercute sur les performances 3D. C'est pour cela que Heliciel choisit par défaut d'appliquer l'angle optimum de finesse max. Sur un graphique représentatif, on note bien qu'à partir d'un certain angle d'incidence (en l'occurrence pour notre maquette 2°), les performances (la finesse) du foil chutent. La finesse est le rapport entre la portance et la traînée. C'est l'indicateur de la performance du foil. Elle se calcule : Cp/Ct. Par exemple, à une vitesse de 1 m/s, un foil en T peut soulever une masse théorique de 335 g.
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Paramétrage géométrique et distribution des épaisseurs
Au-delà de l'angle d'incidence, la géométrie de l'aile est déterminante. Pour définir l'épaisseur de l'aile, il est possible de forcer le profil de l'élément par un choix manuel dans la base de données du profil à appliquer pour l'élément sélectionné. Il est possible de déterminer la distribution des épaisseurs le long de notre aile en sélectionnant la loi de profil par épaisseur. Ceci active dans l'onglet géométrie, la possibilité de renseigner une épaisseur demandée en pied de pale et en bout de pale. Un curseur permet de définir la distribution de l'épaisseur entre le pied et le bout de l'aile.
Heliciel possède son propre moteur 3D de modélisation d'aile, une large base de données de profils aérodynamiques ou hydrodynamiques et une fonction d'export 3D (format IGS) qui permet ainsi des réalisations rapides de modèles. Ce niveau de détail permet de simuler des configurations variées, allant de l'aile d'avion à l'hydrofoil de bateau, en intégrant des paramètres spécifiques comme le vrillage, essentiel pour optimiser la répartition de la portance sur toute l'envergure.
Couplage avec l'analyse structurelle : Vers une conception optimisée
Lors de l’étude structurelle d’une aile d’avion, il est difficile de modéliser fidèlement les forces aérodynamiques subies par l’aile. Pour faciliter l’analyse, on répartit la portance maximale théorique de l’aile sur son longeron principal ou sur ses nervures. La répartition utilisée implique que l’aile entière sera plus résistante que nécessaire et donc que la structure ne sera pas totalement optimisée. Pour pallier ce problème, il faudrait s’assurer d’appliquer une répartition aérodynamique de la portance sur la surface complète de l’aile. On serait donc en mesure d’obtenir une répartition des charges sur l’aile beaucoup plus fiable.
Pour le réaliser, nous aurons besoin de coupler les résultats d’un logiciel calculant les charges aérodynamiques de l’aile avec les résultats d’un logiciel permettant sa conception et son analyse structurelle. Dans ce projet, le logiciel utilisé pour calculer les coefficients de pression sur l’aile est XFLR5 et le logiciel permettant la conception et l’analyse structurelle sera CATIA V5. Le logiciel XFLR5 permet une analyse rapide d’une aile en se basant sur l’analyse de ses profils. Ce logiciel calcule les performances des profils de la même manière que XFOIL et permet de choisir parmi trois méthodes de calcul pour obtenir les performances de l’aile : Lifting Line Theory (LLT), Vortex Lattice Method (VLM) et 3D Panels. Dans notre méthodologie, nous utilisons la méthode de calcul 3D Panels dont la validité a été testée en soufflerie pour confirmer les calculs sur XFLR5. En ce qui concerne la conception et l’analyse par des éléments finis de la structure, le logiciel CATIA V5 est couramment utilisé dans le domaine aérospatial. CATIA V5 permet une automatisation des étapes de conception de l’aile.
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