Étude, modélisation et contrôle des charges et instabilités aéroélastiques : Application aux ailes ou pales flexibles

Une structure élancée sous écoulement peut se déformer et vibrer lorsque l'écoulement incident est turbulent. Elle peut également être instable dynamiquement si le chargement induit par le mouvement entraîne un transfert positif d'énergie de l'écoulement vers la structure. On s'intéresse ici aux surfaces portantes de grand allongement évoluant en régime subsonique telles que celles rencontrées en aéronautique (voilures de drone solaire) ou dans le domaine éolien (pales d'éolienne de très grande dimension). Ces structures, dont les déformations statiques peuvent être importantes, questionnent sur la pertinence des approches aéroélastiques usuelles pour prédire les vitesses critiques de flottement et les comportements post-critiques.

Dans ce contexte, un premier objectif est de dimensionner et concevoir des démonstrateurs technologiques d'ailes flexibles dédiés à la caractérisation et au contrôle de vibrations et instabilités aéroélastiques sous écoulement. D'autre part, le but est de valider des modèles aéroélastiques d'ordre réduit capables de reproduire les comportements pré et post critiques afin de dimensionner des stratégies de contrôle via des systèmes distribués (transducteurs piézoélectriques) ou discrets (amortisseurs à masse accordée).

La modélisation du chargement aérodynamique non linéaire est dans ce contexte un élément important. Des expériences sur profils d'ailes en mouvement de tangage forcé sont en particulier utilisées pour valider des modèles de décrochage dynamique.

Étude du flottement par couplage de mode : (gauche) vue d'un prototype d'aile flexible en soufflerie ; (centre) évolution des fréquences et amplitude des cycles limites d'oscillations ; (droite) validation d'un modèle de décrochage dynamique en grande amplitude (collaborations : ONERA, LadHyX)

Deux approches sont actuellement privilégiées pour repousser les vitesses critiques de flottement et réduire les amplitudes de vibrations post-critiques. La première, par amortisseur à masse accordée linéaire ou non-linéaire, a fait l'objet d'une étude via une approche sectionnelle expérimentale et numérique (collaboration : LadHyX et DAAA/ONERA). Des études paramétriques sont en cours (approches 2D et 3D) afin de définir de nouvelles maquettes d'ailes flexibles de grand allongement. Ces maquettes permettront l'intégration d'amortisseurs discrets mais aussi la mise en œuvre de solutions de contrôle passif et actif utilisant des transducteurs piézoélectriques.

Contrôle d’un flottement par couplage de mode avec bifurcation vers un flottement de décrochage de grande amplitude : amplitude des cycles limites d’oscillations pour différentes solutions de contrôle (TMD linéaire et non linéaire en pompage et/ou rotation)

Partenariats académiques et industriels :

• LadHyX/École Polytechnique
• DAAA/ONERA
• Université du Massachusset (UMass Amherst)
• IFP Énergies nouvelles