Les concepts de moteur du futur, bien que prometteurs de réductions de consommation de carburant, ont un besoin important de lubrification et refroidissement. Matteo Gelain, ancien doctorant ONERA, a reçu le « prix de thèse 2022 » de la 3AF pour ses travaux sur la simulation numérique des phénomènes aérothermiques dans les moteurs d’avions civils modernes.
La problématique
Les concepts de moteur du futur sont caractérisés par des architectures de plus en plus complexes, ce qui engendre un besoin important de lubrification et refroidissement. Sur cette problématique, un large spectre d’activités et de volets scientifiques a été exploré à l’ONERA, allant des simulations numériques aérodynamiques haute-fidélité, aux simulations numériques multiphysiques, en passant par des essais en soufflerie.
L’expertise de l’ONERA comme socle solide
La communauté nationale s’appuie sur l’ONERA, qui a la maîtrise du développement de grandes plateformes numériques, qu’il continue de mettre à jour constamment. Cette expertise lui permet de simuler des problématiques complexes et de faire des calculs toujours plus représentatifs de la réalité.
Au sein de l’unité méthodes numériques pour la mécanique des fluides (NFLU), le périmètre des travaux de recherche va en effet de la conception et de l’analyse fondamentale de méthodes numériques pour la mécanique des fluides à leur mise en œuvre dans des logiciels prototypes ou à caractère finalisé pour le développement d’outils CFD innovants, précise Vincent Couaillier responsable de l’unité NFLU.
Les activités de cette unité scientifique de l’ONERA concernent le développement de schémas numériques représentant les phénomènes physiques complexes, incluant par exemple les écoulements turbulents. Une contribution importante de l’unité porte sur la recherche d’algorithmes de couplages multiphysiques innovants, notamment pour les systèmes multifluides, CFD/CAA et aérothermiques.
Les travaux de recherche concernent également le domaine des modèles numériques stochastiques, ainsi que les méta-modèles pour le calcul et l’analyse de problèmes de très grandes dimensions, avec un investissement croissant dans l’étude d’algorithmes utilisant les nouveaux outils d’intelligence artificielle.
L’unité entretient des liens forts avec le monde académique (X-CMAP, CentraleSupelec, Sorbonne Université, Pprime, Ecole Centrale de Nantes, INRIA Bordeaux, INRIA Sophia-Saclay), particulièrement dans le cadre de co-directions de thèse, ainsi qu’avec différents laboratoires européens à travers la participation régulière à de nombreux projets européens. L’unité est responsable pour l’ONERA du projet CODA pour le développement d’un code CFD de nouvelle génération avec le DLR et AIRBUS, et est impliquée dans le Centre de recherche virtuel ONERA/DLR sur l’intelligence artificielle, plus particulièrement appliquée à la thématique « Aerospace engineering ».
Une thèse innovante
Au sein de cette unité, les travaux de thèse de Matteo Gelain ont porté sur le couplage aérothermique fluide-solide en s’appuyant et en améliorant des modèles mathématiques élaborés de couplage puis en les appliquant au calcul multi-physique d’un échangeur (échangeur SACOC : Surface Air-Cooled Oil Cooler). Ce couplage a associé des outils développés à l’ONERA : le code CFD elsA et le code de conduction solide Z-set.
La figure 1 montre un résultat de la simulation couplée aérothermique et met en évidence la complexité du flux secondaire et l’impact qu’il peut avoir sur les performances aérodynamiques et thermiques du SACOC. Le domaine de calcul s’étend de la soufflante à l’Outlet Guide Vane (OGV).
Figure 1 : Champ de température adimensionné obtenu par le couplage aérothermique sur la surface du SACOC
Mission ONERA : la formation par la recherche
Cette thèse illustre très bien le rôle formateur de l’ONERA avec ses doctorants : non seulement Mateo Gelain a pu bénéficier de l’expérience et du savoir-faire en simulation numérique de ses encadrants à l’ONERA, mais il a pu travailler avec un industriel, Safran Aircraft Engines (SAE), chez qui il travaille aujourd’hui.
En effet, Safran avait fait appel aux compétences du département Aérodynamique, Aéroélasticité et Acoustique (DAAA) de l’ONERA lors du montage de la thèse car des modèles mathématiques originaux et innovants y sont développés pour optimiser le couplage aérothermique fluide-solide. Ces modèles ont déjà donné lieu à un grand nombre de publications et permis d’obtenir deux prix, en collaboration avec la société Andheo : les "Trophées de la Simulation Numérique", décernés par L’Usine Nouvelle et Teratec en juin 2016, puis le Prix de l’Excellence scientifique de la 3AF en novembre de la même année. « Ces modèles continuent à être étudiés et sont sans cesse améliorés. Ainsi à présent, tous les calculs couplés, académiques ou industriels, stationnaires ou instationnaires, sont stables et optimisés en termes de temps de calcul. Notre objectif est d’étendre en permanence le champ d’application de ces méthodes à de nouvelles problématiques. Par exemple, grâce à une coopération avec le Département Énergétique (DMPE), le premier modèle avec rayonnement a vu le jour récemment et a fait l’objet d’une publication en 2021 » précise Marc Errera, directeur de recherche au sein du département DAAA, qui a assuré l’encadrement de la thèse.de ce département scientifique.
Les méthodologies développées et validées pendant la thèse ont été intégrées au sein de Safran Aircraft Engines et pourraient révolutionner la manière de dimensionner et optimiser les échangeurs de chaleur de la nouvelle génération de moteurs.
« Pour le département DAAA, c’est une grande satisfaction de développer des méthodes numériques innovantes pour améliorer les simulations numériques dans un contexte applicatif intéressant directement un industriel », explique Joël Reneaux, directeur du département.
Le montage financier de la thèse illustre également le rôle central de l’ONERA qui travaille aussi bien avec le monde académique qu’industriel : il s’agit d’une thèse CIFRE Safran co-encadrée par le laboratoire EM2C à CentraleSupelec (première année), puis l’ONERA (les deux années suivantes).
