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DAFE - Aérodynamique fondamentale et expérimentale

Les drônes à aile battantes imitant les insectes

A la suite de notre participation au PRF REMENTA (thèse Andro) des études générales sont actuellement entreprises au DAFE sur le thème de l’aérodynamique du vol battu. L’application visée est le drône imitant les insectes. Il s’agit là d’un nouveau sujet de recherche sur lequel le DAFE veut se positionner. Il met en jeu plusieurs problèmes qui se situent tous sur le front des connaissances actuelles en aérodynamique fondamentale. Des travaux, de nature numérique, ont été menés dans le cadre de l’ANR ENTOMOPTER consacrée à « la physique des ailes battantes inspirées de l’insecte ».  Deux problèmes génériques ont été définis au DAFE pour aborder ce sujet. Ces problèmes concernent le phénomène de la propulsion généré par :

  • une aile en mouvement de tangage forcé périodique dans un écoulement incident ;
  • une aile en mouvement de pilonnement forcé périodique et de flexibilité en tangage dans un fluide au repos, libre de son mouvement d’avancement

Ces deux cas sont schématisés ci-dessous.

Le premier cas a été sélectionné suite à des résultats expérimentaux obtenus par l’une des partenaires de l’ANR ENTOMOPTER. L’objectif était d’étudier le sillage d’une aile plongée dans un écoulement amont uniforme de vitesse U et soumise à un mouvement forcé de tangage. Ce mouvement de tangage est caractérisé par une amplitude de battement A et une fréquence de forçage f. On s’intéresse aux efforts et à l’allée tourbillonnaire en fonction de la fréquence adimensionnée St = f D/U. Le nombre de Reynolds Re = U c/v = 1173 et l’amplitude de battement adimensionnée A/D = 1,07 sont par ailleurs fixés. Pour de petites fréquences, le mouvement de tangage ne permet pas de réduire la traînée aérodynamique et est au contraire génératrice d’une traînée supplémentaire. Dans le cas étudié, le tangage forcé permet de générer des efforts de poussée pour une fréquence adimensionnée de l’ordre de St = 0,3 (sur la figure de gauche, la traînée devient en effet négative). L’allée tourbillonnaire est alors de type Von-Karman inversée. En augmentant la fréquence, par exemple pour St = 0,4, on observe une déviation générale de l’allée tourbillonnaire, voir figures de droite).De par le principe des actions mutuelles, à cette déviation est associée une force de portance. Cette bifurcation de l’écoulement est à l’heure actuelle incomprise. Son étude pourrait ouvrir la voie à une meilleure compréhension de la manoeuvrabilité du vol battu. Des expériences menées par des collègues du projet ANR montre par ailleurs que le phénomène est très sensible à la flexibilité de l’aile.

Notre objectif est ici de mieux comprendre la nature fondamentale de cette déviation, de tester sa robustesse vis-à-vis de l’introduction de la souplesse du profil, cela afin de proposer des stratégies de contrôle pour améliorer l’efficacité propulsive d’une aile battante et/ou sa manoeuvrabilité.

Le second cas étudié, celui du pilonnement forcé avec tangage passif dans un fluide au repos diffère du cas précédent par plusieurs aspects : d’une part le mouvement périodique de forçage est un mouvement de pilonnement vertical, et non plus de tangage, mais ce dernier est néanmoins conservé comme un degré de liberté supplémentaire ; d’autre part le mouvement horizontal est également un degré de liberté. En partant du repos, ce sont les efforts aérodynamiques exercés sur l’aile au cours d’une période de battement qui peuvent faire avancer l’aile. En introduisant un ressort en torsion au niveau du bord d’attaque de l’aile, la dynamique de l’aile est régie par l’équilibre instantané entre le couple des efforts aérodynamiques et les efforts d’inertie. Une telle modélisation est motivée par des études biologiques montrant l’absence de muscles qui permettraient de contrôler le mouvement brusque de rotation des ailes au cours d’un cycle de battement. La littérature actuelle semble montrer que cela concerne une majorité des insectes, mais pas les oiseaux). On parle alors de tangage passif. La figure ci-dessous montre la vitesse d’avancement en fonction de la fréquence et compare le cas sans tangage libre (pilonnement rigide) et avec tangage libre, pour une raideur de ressort donnée. Cette figure prouve qu’il existe une plage de fréquence de battement qui permet d’optimiser la vitesse d’avancement de l’aile. Elle montre aussi que l’amélioration des performances propulsives par la flexibilité en tangage n’est possible qu’en dessous d’une certaine fréquence seuil. Au dessus de cette dernière, la vitesse d’avancement est nettement réduite et l’aile peut même se déplacer dans le sens opposé. Cette étude révèle qu’ajouter des degrés de flexibilité à un système d’aile battante peut améliorer les performances aérodynamiques mais que, néanmoins, cette amélioration réduit la gamme des fréquences opérationnelles.

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