Méthodes d'extraction et de décomposition de la traînée pour des écoulements permanents et transitoires

RESUME: Au debut des annees 2000, une puissante methode d'extraction et de decomposition de la trainee, applicable a des solutions numeriques, a ete proposee. Cette methode possede l'avantage de pouvoir offrir une decomposition physique de la trainee en termes de trainee d'onde,trainee visqueuse, et trainee induite. Elle offre a l'ingenieur aerodynamicien la possibilite d'optimiser localement les differentes configurations externes relativement a l'identification physique des zones responsables de la production de la trainee. Le deuxieme avantage de cette methode est qu'elle permet d'identifier, d'extraire, et de quantifier la trainee numerique inherente a tous calculs CFD. La quantification de la trainee numerique est un atout majeur pour l'ingenieur, car son extraction lui permet d'obtenir un niveau eleve de precision sur le calcul du coefficient de trainee sur des grilles de tailles moyenne a grossiere. Cette possibilite revet un caractere d'une importance capitale lors d'un processus d'optimisation, car elle permet de diminuer radicalement le temps machine requis pour obtenir une solution precise. Axes de recherche generaux Malgre son utilisation de plus en plus repandue dans des centres de recherche et chez certains constructeurs aeronautiques tels qu'Airbus, Bombardier Aeronautique et DLR, la methode originale, datant de 2003, n'a ete l'objet que de peu d'ameliorations au fil des annees. Qui plus est, cette methode souffre de certaines lacunes importantes qui diminuent son interet aupres des industriels. Le premier axe de recherche a donc ete d'ameliorer la methode d'extraction et decomposition de la trainee en proposant des solutions concretes aux differentes lacunes identifiees. De plus, jusqu'a present, cette puissante methode ne peut s'appliquer qu'a des ecoulements en regime permanent et aucune methode ne permet l'extraction et la decomposition de la trainee pour des ecoulements en regime transitoire. Or, de plus en plus de champs de recherche lancent des signaux clairs qu'une telle methode serait un atout majeur a leur discipline. A titre d'exemple, on peut considerer le developpement de drones a ailes battantes, ou encore, l'etude de la trainee generee par les pales d'un helicoptere. C'est dans cette optique que s'inscrit le deuxieme axe de recherche de cette these qui vise a developper une methode d'extraction et de decomposition de la trainee pouvant s'appliquer a des ecoulements evoluant autant en regime permanent que transitoire.----------ABSTRACT: At the beginning of the 21st century, a powerful method of extraction and decomposition of the drag, relevant to numerical CFD solutions, was proposed. This method has the advantage of providing a physical breakdown of the drag in terms of wave drag, viscous drag, and induced drag. It therefore offers the aerodynamic engineer the possibility of optimizing the different external configurations relative to the physical identification of the physical zones of drag production. The second advantage of this method is the possibility of identifying, extracting, and quantifying the spurious drag inherent to all CFD solutions. The quantification of the spurious drag is a major asset for engineers because its extraction allows to obtain an high level of accuracy on the computed drag coefficient on coarse to medium grids. This possibility is of the utmost importance during an optimization process because it allows to drastically decrease the required CPU time to obtain an accurate solution. Research axes Despite its use in research centers and in aircraft manufacturers such as Airbus and DLR, the original method, dating from 2003, has suffered little improvement over the years. Moreover, this method possesses some significant drawbacks that limit its widespread use in the industries. The first research axis of this thesis was therefore to improve the drag extraction and decomposition method by proposing concrete solutions to the various identified deficiencies. Moreover, until now, this powerful method can only be applied to steady flows and no method allows the extraction and decomposition of the drag for unsteady flows. However, more and more research fields show clear signals that such method would be a major asset. For example, one can consider the development of drones with flapping wing, or the study of drag produced by the rotating blades of an helicopter. It is from this perspective that the second research axis was developped; as such it aims at the development of a drag extraction and decomposition method relevant to both steady and unsteady flows. Scientific contributions As indicated above, the first research axis aims to improve the actual method by correcting some of its weaknesses. The first deficiency of this method is the necessity to numerically compute the gradient of a certain function. The calculation of a gradient is a complex task which requires to know the topology of the mesh, as well as the discretization scheme used,to give an accurate evaluation of the drag coecient.