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DAAP - Aérodynamique appliquée

Optimisation et nouvelles configurations d’avions de transport civils

Configuration d’aile volante étudiée à l’Onera et faisant l’objet de travaux d’optimisation aérodynamique
Configuration d’aile volante étudiée à l’Onera et faisant l’objet de travaux d’optimisation aérodynamique ©ONERA-DAAP

Afin de répondre aux enjeux environnementaux et sociétaux, des objectifs ambitieux en terme d’améliorations des performances des futures générations d’avion de transport sont fixés, par exemple par le Strategic Research & Innovation Agenda (SRIA) de l’ACARE (Advisory Council for Aviation Research and Innovation in  Europe). Pour atteindre ces objectifs ambitieux, deux démarches complémentaires sont nécessaires : une optimisation permanente des configurations d’avion existantes et l’étude de nouveaux concepts  susceptibles d’apporter des gains substantiels par rapport aux configurations actuelles.

La mise en œuvre d’optimisation aérodynamique repose sur une chaîne d’optimisation qui sépare clairement l’optimiseur et la chaîne d’analyse, ce qui facilite l’utilisation de différents algorithmes d’optimisation pour résoudre de façon efficace le problème posé. On peut ainsi construire un scénario d’optimisation faisant appel à l’optimisation globale (s’appuyant sur des méthodes stochastiques tels que l’algorithme génétique, ou encore utilisant un métamodèle comme le Krigeage…) ou locale (méthodes nécessitant par exemple le calcul du gradient des fonctionnelles, par différence finie ou par méthode adjointe…), avec ou sans contraintes. On peut ainsi résoudre des problèmes complexes multi-objectifs, multi-points, multi-disciplinaires.

Les principaux modules élémentaires constituant la chaîne d’analyse d’une boucle d’optimisation de forme mettant en œuvre des simulations aérodynamiques par code de calcul CFD sont :

  • le(s) module(s) de paramétrisation de forme et de déformation de maillage.
  • le module de calcul aérodynamique et calcul de gradient direct par CFD. A l’ONERA, le logiciel elsA est utilisé pour la résolution des équations d’Euler ou RANS et de leurs équations adjointes associées.
  • le module de post-traitement aérodynamique. Il permet le calcul des coefficients aérodynamiques entrant dans la définition des fonctions objectif et contraintes, et éventuellement de leur sensibilité à partir des résultats de la (des) simulation(s) CFD.

Le département contribue au développement des différents modules de cette chaîne dont la maturité est désormais suffisante pour introduire l’optimisation numérique dans le cadre de nombreux projets. Les simulations aérodynamiques avancées permettent désormais d’aborder avec plus de confiance la définition de configurations innovantes pour lesquelles les bases de données sont inexistantes. L’approche CFD permet de plus de prendre en compte les non-linéarités qui sont importantes dans le cas des configurations transsoniques. L’intérêt de l’approche CFD pour la définition de configurations nouvelles est illustré à titre d’exemple par les travaux relatifs à une configuration d’aile volante et  une voilure de fort allongement haubanée. Pour l’aile volante , une méthodologie d’optimisation a été mise au point, ce qui a permis ensuite d’effectuer des études de sensibilité à la forme en plan incluant une redéfinition des profils. La robustesse de l’optimisation s’est avérée remarquable. L’intérêt de la seconde configuration est de chercher à réduire la traînée induite par une augmentation d’allongement tout en limitant l’augmentation des pénalités structurales grâce à la présence d’un hauban. Cette dernière configuration nécessite donc une approche aéro-structure. 


Configurations d’aile à grand allongement haubanée et d’aile jointive étudiées à l’ONERA  ©ONERA-DAAP

D’autres configurations nouvelles font actuellement l’objet de travaux importants dans le département. On peut citer l’étude de nouvelles configurations d’avions avec installations motrices innovantes, pour des moteurs à très grand taux de dilution, la prise en compte de l’effet d’ingestion de couche limite, l’étude de configurations à aile rhomboédrique  et la recherche de configuration d’avions supersoniques à faible Bang. 

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