Brevet FR2982024A1 — publié le 20130503

La présente invention relève du domaine des procédés de conception d'aéronefs. Elle s'applique à l'aérodynamique des aéronefs, plus précisément à la caractérisation par essais en soufflerie ou par simulation numérique des écoulements aérodynamiques autour des aéronefs et à la détermination des coefficients aérodynamiques associés à ces écoulements. Elle vise plus particulièrement un procédé de calcul de pression dynamique au niveau d'une surface telle qu'un empennage horizontal d'aéronef. Préambule et art antérieur La description du comportement aérodynamique d'un aéronef se fait généralement sous la forme d'un ensemble complexe d'équations et de tableaux de valeurs ; cet ensemble, appelé modèle aérodynamique de l'aéronef, permet de fournir des coefficients aérodynamiques (comme par exemple les coefficients de portance et de traînée) en fonction de conditions géométriques (comme par exemple le braquage des hypersustentateurs) et de conditions aérodynamiques (comme par exemple la vitesse de l'aéronef et la densité de l'air). Les modèles aérodynamiques des aéronefs incluent généralement parmi leurs paramètres la pression dynamique globale au niveau de l'empennage horizontal notée QA. Cette pression dynamique sert à calculer les efforts aérodynamiques s'exerçant sur ce composant. Pour déterminer la pression dynamique QA et selon l'état de l'art actuel, on estime les coefficients aérodynamiques globaux de l'aéronef sur la base d'essais en soufflerie ou de simulations numériques pour des conditions géométriques et aérodynamiques variables, en faisant varier en particulier l'incidence de l'écoulement notée à et le calage de l'empennage horizontal iH. La pression dynamique QA est alors définie de manière à faire correspondre au mieux le modèle aérodynamique dans lequel elle intervient et ces coefficients aérodynamiques. Cette technique présente l'inconvénient majeur de nécessiter de réaliser de nombreux essais en soufflerie ou de nombreuses simulations numériques du fait de la nécessité de faire varier l'incidence de l'écoulement à et le calage de l'empennage horizontal iH. La variation du calage de l'empennage horizontal iH, en particulier, entraîne généralement des interventions sur la maquette et la réalisation de maillages spécifiques. De plus, dans le cas des essais en soufflerie, il est généralement nécessaire d'ajouter des essais sans empennage horizontal. Tout ceci entraîne des temps de mise en oeuvre et des coûts importants. Exposé de l'invention L'invention vise en premier lieu un procédé de simulation de l'écoulement aérodynamique autour d'un aéronef, de manière à détecter les efforts aérodynamiques s'exerçant sur une surface dudit aéronef, ledit procédé comportant une phase de détermination d'une valeur notée QA de pression dynamique globale au niveau de ladite surface. Le procédé comporte des étapes : - de réalisation de simulations (par exemple numériques) d'écoulement aérodynamique autour de ladite surface pour des conditions d'environnement données, sur la base d'un maillage réalisé autour de la forme de l'aéronef, - de détermination d'une pression dynamique locale qA autour de la surface, puis - de calcul de la pression dynamique globale QA. Dans un mode de mise en oeuvre particulier, la surface est un empennage horizontal, et la réalisation de simulations d'écoulement est faite pour des valeurs prédéterminées d'incidence de l'écoulement notée à et de calage de l'empennage horizontal iH, Ce procédé permet de déterminer la pression dynamique globale QA sans avoir besoin de faire varier à et iH ni de considérer des configurations sans empennage horizontal. Selon une mise en oeuvre particulière, le procédé comporte des étapes : 100 : de définition de la forme de l'aéronef en utilisant un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO), 200 : de création d'un maillage autour de la forme de l'aéronef en utilisant un logiciel de création de maillages. Avantageusement, il comporte également des étapes : 300: de réalisation d'une simulation de l'écoulement aérodynamique autour de l'aéronef, pour déterminer notamment une valeur de la pression totale ptH autour de la surface étudiée, 400: de calcul d'une valeur approximée de la pression statique locale pA autour de la surface, 500 : de calcul de la pression totale locale ptA en tout point du maillage sur la surface, 600: de calcul de la pression dynamique locale qA en tout point du maillage sur la surface, 700 : de calcul de la pression dynamique globale QA en présence de l'avion sans ladite surface, définie comme étant celle qui permet de retrouver la force aérodynamique de pression F s'exerçant sur la surface, par un écoulement qui induit la pression dynamique locale qA, calculée à l'étape 600. Dans le cas où la surface est un empennage horizontal, le procédé comporte donc des étapes : 300 : de réalisation d'une simulation numérique de l'écoulement aérodynamique autour de l'aéronef sur la base du maillage créé, pour déterminer notamment une valeur de la pression totale ptH autour de l'empennage horizontal, 400: de calcul d'une valeur approximée de la pression statique locale pA autour de l'empennage, 500 : de calcul de la pression totale locale ptA en tout point du maillage sur l'empennage horizontal, 600 : de calcul de la pression dynamique locale qA en tous points du maillage sur l'empennage horizontal, 700 : de calcul de la pression dynamique globale QA en présence de l'avion sans empennage, définie comme étant celle qui permet de retrouver la force aérodynamique de pression F s'exerçant sur l'empennage horizontal, par un écoulement qui induit la pression dynamique locale qA, calculée à l'étape 600. Selon divers modes de mise en oeuvre, éventuellement utilisés en conjonction : - dans l'étape 300 la simulation de l'écoulement aérodynamique autour de l'aéronef est de type numérique, réalisée sur la base du maillage créé. Alternativement, cette simulation est réalisée par des essais en soufflerie, la pression totale ptH étant alors obtenue par des sondages locaux de l'écoulement, par exemple en utilisant une sonde de pression multi-trous. - dans l'étape 400 on prend en tout point du maillage de l'étape 200 comme valeur de la pression statique locale en présence de l'avion sans empennage (ou plus généralement sans la surface étudiée) pA la pression statique à l'infini p0 préalablement déterminée. - dans l'étape 500, on utilise la valeur de la pression totale notée ptH autour de l'empennage horizontal (ou de la surface étudiée), déterminée lors de l'étape 300, comme approximation de la pression totale sans empennage horizontal (respectivement sans la surface étudiée), notée ptA, pour les points du maillage situés en dehors de la couche-limite de l'empennage (ou de la surface étudiée). - dans l'étape 600, on calcule le nombre de Mach local MA en présence de l'avion sans empennage (respectivement sans la surface étudiée) à partir de la pression statique locale pA en présence de l'avion sans empennage (respectivement sans la surface étudiée) et de la pression totale locale ptA déterminées dans les étapes 400 et 500, - en utilisant la formule isentropique : ptA = pA.(1 + (y-1)12.MA2) 'Yi" dans laquelle y est le coefficient isentropique. - en inversant cette formule pour obtenir la relation : MA2= 21(y-1).((ptAlpA)(7-1)17 - 1) qui permet de calculer MA2 - en calculant ensuite la pression dynamique locale qA à partir de la pression statique locale en présence de l'avion sans empennage (respectivement sans la surface étudiée) pA et du nombre de Mach local MA par la formule de définition de la pression dynamique : qA = y12.pA.MA2 - dans l'étape 700, - on suppose invariant le coefficient de pression CpA basé sur la pression dynamique locale en présence de l'avion sans empennage (respectivement sans la surface étudiée) qA : CpA = ((pH-p0)1qA) dans laquelle pH est la pression statique locale en présence de l'avion avec empennage (respectivement avec la surface étudiée), - on calcule la force aérodynamique de pression F par la formule : F = f qA.((pH-p0)/qA).dS cette intégrale étant calculée sur toute la surface étudiée, par exemple la surface de l'empennage horizontal, - on calcule la pression dynamique globale QA qui permet de retrouver cette force aérodynamique de pression F s'exerçant sur l'empennage horizontal (respectivement sur la surface étudiée), par la formule : ,f(1/qA).((pH-p0)/q0).dS = (11QA).i. ((pH-p0)1q0).dS - avantageusement on projette cette formule vectorielle sur un axe préalablement choisi, on divise les deux termes de la formule par une surface de référence Sref , puis, en utilisant la formule de définition du coefficient de portance de l'empennage Cz, on calcule la pression dynamique globale QA par : 1/QA =( (11qA).((pH-p0)1q0).(dS.oz)1 Sref) I Cz L'invention vise en second lieu un procédé de conception d'une surface d'aéronef, caractérisé en ce que le procédé comporte un procédé de calcul des efforts aérodynamiques s'exerçant sur ladite surface, tel qu'exposé, et une étape de vérification de la compatibilité des efforts calculés avec un cahier des charges prédéfini. Présentation des figures Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit, description qui expose les caractéristiques de l'invention au travers d'un exemple non limitatif d'application. La description s'appuie sur les figures annexées qui représentent : Figure 1 : un organigramme des étapes d'un exemple de procédé selon l'invention. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention L'invention est destinée à être mise en oeuvre sous forme logicielle, par un ordinateur de type connu en soi. 100 : définition de la forme de l'aéronef Dans cette étape, la forme d'un aéronef est définie en utilisant un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) tel que ceux développés par des entreprises commerciales et disponibles sur le marché. Cette définition inclut préférentiellement une sous-étape de simplification de forme, à partir dune géométrie d'aéronef préexistante, de manière à retirer des éléments de l'aéronef n'ayant a priori pas d'effet aérodynamique significatif ou des positionnements de composants comme des braquages de dispositifs hypersustentateurs ou de gouvernes. Par exemple, pour l'étude de l'effet de sol sur les configurations hypersustentées d'aéronef, il est avantageux de supprimer les trains d'atterrissage car ils ont un effet assez faible sur l'effet de sol et ils provoquent des problèmes de stabilité dans les simulations numériques liés à l'écoulement instationnaire présent autour de ces trains. 200 : création d'un maillage Dans cette étape, un maillage est créé autour de la forme de l'aéronef préparée et éventuellement simplifiée à l'étape précédente. Ce maillage est créé en utilisant un logiciel de création de maillages tel que ceux développés par des centres de recherche ou par des entreprises commerciales. Il peut être de type structuré, non structuré, cartésien, hybride ou de tout autre type Tout maillage est ici convenable, à condition qu'il permette de simuler de manière satisfaisante l'écoulement autour de l'aéronef et selon l'état de l'art en aérodynamique numérique. Un maillage structuré est préférable pour les configurations de croisière (hypersustentateurs rentrés) et non structuré pour les configurations basses vitesses (hypersustentateurs sortis). On comprend qu'un tel maillage emplit un volume de dimensions prédéterminées autour de la forme de l'avion étudié. 300: réalisation d'une simulation numérique Dans cette étape, une simulation numérique de l'écoulement aérodynamique autour de l'aéronef est réalisée sur la base du maillage créé à l'étape précédente, pour des valeurs d'incidence de l'écoulement a et de calage de l'empennage horizontal iH. Le procédé s'applique à toutes les valeurs de a et de iH. En pratique, a varie généralement entre une valeur minimale négative correspondant à une portance nulle de l'aéronef et un a maximal positif correspond à la portance maximale atteignable par l'aéronef (correspondant au décrochage de l'aéronef). Le paramètre iH varie généralement entre un calage négatif correspondant à la portance minimale atteignable par l'empennage et un calage positif correspondant à la portance maximale atteignable par l'empennage (correspondant aux décrochages vers le bas et vers le haut de l'empennage). Cette simulation est réalisée en utilisant un logiciel d'aérodynamique numérique tel que ceux développés par des centres de recherche ou par des entreprises commerciales. Elle peut être de tout type, en particulier de type Euler ou NavierStokes, laminaire ou turbulent ou bien encore stationnaire ou instationnaire. Toute simulation est ici convenable, mais elle peut être plus ou moins pertinente selon des critères connus de l'homme de l'art. Une simulation de type Navier-Stokes turbulent stationnaire constitue un choix préférentiel. Ces trois premières étapes sont connues en soi et ne sont donc pas détaillées plus avant ici. 400 : calcul de la pression statique locale Dans une quatrième étape, on calcule une valeur approximée de la pression statique locale autour de l'empennage pA. Par simplification de langage, on nommera "pression statique locale" cette valeur pA dans la suite de la description, bien qu'il s'agisse d'une valeur résultant d'hypothèses simplificatrices volontaires des inventeurs. Pour ce faire, on choisit de considérer que l'effet de la partie de l'avion comprenant tout l'avion sauf l'empennage, sur l'écoulement de l'air autour de l'empennage, porte essentiellement sur la pression dynamique, et que son effet sur la pression statique est faible. Cet effet résulte en particulier du sillage de la voilure et des jets des réacteurs. On choisit donc de prendre, en tout point du maillage sur la surface de l'empennage, comme valeur de la pression statique locale en présence de l'avion sans empennage pA la pression statique à l'infini p0. Cette valeur de pression statique à l'infini p0 est supposée préalablement 25 déterminée. 500: calcul de la pression totale locale Il est connu que, dans un écoulement de fluide parfait et en l'absence de traversée de chocs, la pression totale se conserve le long des lignes de courant. 30 On choisit ici d'utiliser cette propriété pour considérer que la pression totale locale autour de l'empennage horizontal, notée ptH est une bonne approximation de la pression totale locale sans empennage horizontal, notée ptA, à condition d'être en dehors de la couche-limite de l'empennage. En effet, dans la couche-limite la pression totale varie fortement entre la surface de l'aéronef et la frontière de la couche-limite à 35 cause des effets de viscosité et de la condition d'adhérence de l'air à la paroi. En tout point (plus précisément en tous les points du maillage à la surface de l'empennage) de la surface de l'empennage horizontal, on s'éloigne donc de cette surface (jusqu'à une distance suffisante pour sortir de la couche-limite ; on utilise pour cela les fonctionnalités standard disponibles généralement dans les codes de simulation numérique ou dans des outils de post-traitement associés à ces codes et qui permettent de calculer l'épaisseur de la couche-limite) perpendiculairement à celle-ci de manière à sortir de la couche-limite et on relève (pour les cellules du maillage identifiées comme étant à la frontière de la couche limite ; il y a une telle cellule correspondant à chaque point du maillage de la surface de l'empennage) la valeur de pression totale locale en présence de l'avion avec empennage ptH. On utilise alors la relation ptA = ptH qui définit une valeur représentative, dans ces hypothèses des inventeurs, de la pression totale locale en présence de l'avion sans empennage ptA. Par simplification de langage, on nommera "pression totale locale" cette valeur ptA dans la suite de la description, bien qu'il s'agisse d'une valeur approximée résultant d'hypothèses simplificatrices volontaires des inventeurs. 600 : calcul de la pression dynamique locale On calcule alors le nombre de Mach local MA en présence de l'avion sans empennage à partir de la pression statique locale pA en présence de l'avion sans empennage et de la pression totale locale ptA déterminées dans les étapes 400 et 500, en utilisant la formule isentropique classique : ptA = pA.(1 + (y-1)12.MA2) 'Yi" dans laquelle y est le coefficient isentropique. Cette formule s'inverse pour donner la relation : MA2= 21(y-1).((ptAlpA)(7-1)17 - 1) qui permet de calculer MA2 On calcule ensuite la pression dynamique locale qA (en tous points du maillage de la surface de l'empennage) à partir de la pression statique locale en présence de l'avion sans empennage pA et du nombre de Mach local MA par la formule de définition de la pression dynamique : qA = y12.pA.MA2 Ces formules sont connues en soi de l'homme du métier. 700 : calcul de la pression dynamique globale La pression dynamique globale en présence de l'avion sans empennage QA est définie comme étant celle qui permet de retrouver la force aérodynamique de pression F s'exerçant sur l'empennage horizontal, par un écoulement qui induit la pression dynamique locale qA, calculée à l'étape 600. On choisit ici de supposer invariant le coefficient de pression CpA basé sur la pression dynamique locale en présence de l'avion sans empennage qA . On a dans ce cas : CpA = ((pH-p0)1qA) dans laquelle pH est la pression statique locale en présence de l'avion avec empennage. La force aérodynamique de pression F est alors calculée par la formule : F = f qA.((pH-p0)/qA).dS Cette intégrale est calculée (de façon approximative en discrétisant cette intégrale par une somme finie appliquée sur le maillage de la surface de l'empennage) sur toute la surface de l'empennage horizontal). Il est à noter que cette formule est une formule vectorielle, F et dS étant des vecteurs de dimension 3. Par simplification de langage, on nommera " force aérodynamique de pression " cette valeur F dans la suite de la description, bien qu'il s'agisse d'une valeur approximée résultant d'hypothèses simplificatrices volontaires des inventeurs. On cherche enfin la pression dynamique globale QA qui permet de retrouver cette force aérodynamique de pression F s'exerçant sur l'empennage horizontal, et qui doit donc vérifier la formule : F = fQA.((pH-p0)1 qA).dS = QA. f ((pH p0)1qA).dS En égalant les deux expressions de la force aérodynamique de pression F, on obtient la relation : QA. f ((pH-p0)1qA).dS = fqA.((pH-p0)1qA).dS On transforme cette relation de manière à faire apparaître le coefficient de pression classique Cp0 basé sur la pression dynamique à l'infini q0 selon la formule : Cp0 = ((pH-p0)1q0) en divisant les deux termes de cette relation par (QA. p0). On obtient alors : ,f(1/qA).((pH-p0)/q0).dS = (1/QA) . f ((pH-p0)1q0).dS On choisit ensuite de projeter cette formule vectorielle sur un axe préalablement choisi, par exemple mais non limitativement un axe dit axe vertical oz (sensiblement perpendiculaire au plan moyen de l'avion qui contient en particulier l'axe du fuselage, ou, alternativement, perpendiculaire au plan moyen de l'empennage) et l'on divise les deux termes de la formule par Sref , qui désigne une surface de référence, par exemple ici la surface de l'empennage horizontal, ou , alternativement, la surface de référence de la voilure, ce qui permet d'obtenir : f(11qA).((pH-p0)1q0).(dS.oz)1Sref = (11QA). f ((pH p0)1q0).(dS.oz)1 Sref On obtient alors : 1/QA =( (1/qA).((pH-p0)/ q0).(dS.oz)1 Sref) I d ((pH-p0)1 q0).(dS.oz)1 Sref) Puis, en utilisant la formule de définition du coefficient de portance de l'empennage Cz, on obtient : 1/QA =( (11qA).((pH-p0)1q0).(dS.oz)1 Sref) I Cz Cette formule permet donc d'exprimer l'inverse de la pression dynamique globale QA comme la somme, pondérée par les coefficients de pression, de l'inverse de la pression dynamique locale qA. On en déduit donc la valeur de la pression dynamique globale QA, telle qu'approximée par cette formule conçue sur la base des diverses hypothèses judicieuses des inventeurs. Avantages L'invention peut être appliquée pour toutes les conditions aérodynamiques ou géométriques, et pour tous types d'aéronefs. Le procédé utilise cette formule pour permettre la conception plus rapide d'un empennage. Il vise également à réduire le temps et le coût d'évaluation de la pression dynamique globale QA et donc de ceux de l'élaboration des modèles et données aérodynamiques et, par voie de conséquence, de ceux du développement d'un avion (sachant que cette évaluation peut intervenir à de multiples reprises lors des boucles itératives de conception), par exemple dans un cadre de recherche visant à améliorer le modèle aérodynamique en effet de sol de manière à mieux reproduire les manoeuvres de décollage. Il peut encore être utilisé pour accélérer la mise au point des commandes de vol. Variantes A titre de variantes, on peut : - réaliser des essais en soufflerie à la place des simulations numériques, l'obtention de la pression totale ptH utilisée à l'étape 500 étant alors réalisée par des sondages locaux de l'écoulement, par exemple en utilisant une sonde de pression multi-trous ; - appliquer ce procédé sur d'autres composants d'aéronef que l'empennage horizontal, en particulier l'empennage vertical ; - dans l'étape 700, projeter sur d'autres axes que l'axe oz (en particulier sur l'axe ox ou l'axe oy), cette variante étant en particulier nécessaire lorsque le coefficient de portance Cz est nul. REVENDICATIONS1. Procédé de simulation de l'écoulement aérodynamique autour d'un aéronef, de manière à détecter les efforts aérodynamiques s'exerçant sur une surface prédéterminée dudit aéronef, ledit procédé comportant une phase de détermination d'une valeur notée QA de pression dynamique globale au niveau de ladite surface, caractérisé en ce qu'il comporte des étapes : - de réalisation de simulations d'écoulement aérodynamique autour de ladite surface pour des conditions d'environnement données, sur la base d'un maillage réalisé autour de la forme de l'aéronef, - de détermination d'une pression dynamique locale qA autour de ladite surface, 10 puis - de calcul de la pression dynamique globale QA. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des étapes : 15 300: de réalisation d'une simulation de l'écoulement aérodynamique autour de l'aéronef, pour déterminer notamment une valeur de la pression totale ptH autour de la surface étudiée, 400: de calcul d'une valeur approximée de la pression statique locale pA autour de la surface, 20 500 : de calcul de la pression totale locale ptA en tout point du maillage sur la surface, 600: de calcul de la pression dynamique locale qA en tout point du maillage sur la surface, 700 : de calcul de la pression dynamique globale QA en présence de l'avion 25 sans ladite surface, définie comme étant celle qui permet de retrouver la force aérodynamique de pression F s'exerçant sur la surface, par un écoulement qui induit la pression dynamique locale qA, calculée à l'étape 600. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la surface est 30 un empennage horizontal, et en ce que la réalisation de simulations d'écoulement est faite pour des valeurs prédéterminées d'incidence de l'écoulement notée à et de calage de l'empennage horizontal iH. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que dans l'étape 400 on prend en tout point du maillage de l'étape 200 comme valeur de la pression statique locale en présence de l'avion sans empennage pA la pression statique à l'infini p0 préalablement déterminée. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que dans l'étape 500, on utilise la valeur de la pression totale notée ptH autour de l'empennage horizontal, déterminée lors de l'étape 300, comme approximation de la pression totale sans empennage horizontal, notée ptA, pour les points du maillage situés en dehors de la couche-limite de l'empennage. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que dans l'étape 600, on calcule le nombre de Mach local MA en présence de l'avion sans empennage à partir de la pression statique locale pA en présence de l'avion sans empennage et de la pression totale locale ptA déterminées dans les étapes 400 et 500, - en utilisant la formule isentropique : ptA = pA.(1 + (y-1)12.MA2) 'Yi" dans laquelle y est le coefficient isentropique. - en inversant cette formule pour obtenir la relation : MA2= 21(y-1).((ptAlpA)(7-1)17 - 1) qui permet de calculer MA2 - en calculant ensuite la pression dynamique locale qA à partir de la pression statique locale en présence de l'avion sans empennage pA et du nombre de Mach local MA par la formule de définition de la pression dynamique : qA = y12.pA.MA2 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que dans l'étape 700, - on suppose invariant le coefficient de pression CpA basé sur la pression dynamique locale en présence de l'avion sans empennage qA : CpA = ((pH-p0)1qA) dans laquelle pH est la pression statique locale en présence de l'avion avec empennage, - on calcule la force aérodynamique de pression F par la formule :F = f qA.((pH-p0)/qA).dS cette intégrale étant calculée sur toute la surface de l'empennage horizontal, - on calcule la pression dynamique globale QA qui permet de retrouver cette force aérodynamique de pression F s'exerçant sur l'empennage horizontal, par la formule : ,f(1/qA).((pH-p0)/q0).dS = (11QA).i. ((pH-p0)1q0).dS - on projette cette formule vectorielle sur un axe préalablement choisi, on divise les deux termes de la formule par une surface de référence Sref , puis, en utilisant la formule de définition du coefficient de portance de l'empennage Cz, on calcule la pression dynamique globale QA par : 1/QA =( (11qA).((pH-p0)1q0).(dS.oz)1 Sref) I Cz 8. Procédé de conception d'une surface d'aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte un procédé de calcul des efforts aérodynamiques s'exerçant sur ladite surface, selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, et une étape de vérification de la compatibilité des efforts calculés avec un cahier des charges prédéfini.