Étude des performances aérodynamiques par simulations numériques d’un concept d’aéronef à décollage et atterrissage vertical (VTOL) destiné à la mobilité urbaine

RESUME L’acceleration du developpement urbain entraine plusieurs nouvelles contraintes en termes de transports. De nouvelles solutions doivent etre trouvees pour resoudre ces problematiques. Les aeronefs a decollage et atterrissage vertical (VTOL) hybrides ou electriques viennent repondre a ces besoins en permettant de relier deux points efficacement et rapidement par la voie des airs. Un nouveau concept de VTOL avec des soufflantes carenees integrees dans les ailes a ete propose. Ce dernier possede une architecture lift and cruise qui permet de decoupler les systemes de propulsion pour augmenter sa fiabilite. Cette etude a comme objectif d’analyser les performances aerodynamiques de ce concept a travers ses trois phases principales de vol : le decollage et l’atterrissage a la verticale, le vol de transition et le vol de croisiere horizontal. Elles seront tirees a partir de simulations fluidiques numeriques (CFD) basees sur le modele du Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS). La methodologie employee afin de mettre en place ces calculs numeriques sera presentee. On y retrouve entre autres la construction de la geometrie avec un logiciel de Computer-Aided Design (CAD), la definition du maillage, la modelisation de la poussee des soufflantes ainsi que le choix des conditions limites et des schemas numeriques. Etant donne que des tests en soufflerie ne seront pas utilises pour verifier l’exactitude des resultats, la methodologie sera d’abord appliquee sur un cas connu tire de la litterature pour la valider. Les trois phases de vol seront par la suite simulees separement. Dans un premier temps, les performances des soufflantes carenees en vol vertical seront etudiees. Il est estime que la carene participe de facon importante a la poussee totale generee. Par la suite, une analyse des impacts des colonnes d’air creees pendant le vol transition sera faite. Finalement, les performances en vol de croisiere seront etudiees par les coefficients de portance, de trainee et de moment de l’aeronef. Une etude de la stabilite sera egalement faite par la marge statique. Les resultats seront accompagnes par une phase de validation grâce aux differents criteres comme la convergence, l’analyse des champs et l’etude de sensibilite au maillage. Des recommandations seront finalement donnees afin d’ameliorer le concept et de pousser la recherche vers d’autres pistes.----------ABSTRACT The acceleration of urban sprawl brings new transport challenges. Innovative solutions have to be found to solve those problems. Vertical take-off and landing aircrafts are one of them as they let one connect two point quickly and efficiently by flight. A new VTOL concept in embedded ducted fans in the wings has been proposed. It has a lift and cruise architecture that separates the propulsion systems to increase reliability. In this thesis, the aerodynamics performances will be investigated throughout the aircraft’s three main flight phases : vertical take-off and landing, transition and cruise. They will be assessed using computational fluid dynamics (CFD) simulations based on the Reynolds-Averaged Navier-Stokes model. The methodology used to build the simulation will be presented. It will include the design of the geometry by a Computer-Aided Design (CAD) software, meshing of the geometry, modeling of the fan, election of boundary conditions and choice of numerical schemes. Wind tunnel testing will not be available for this research, so the methodology has to be validated on a known airfoil case found in the literature. Then, the three flight phases will be simulated separately. First, the effect of the duct on the overall vertical flight lift will be studied. It is estimated that the fan duct contributes greatly. Then, a transition study will look at the effect of the cross-flow coming out of the ducted fans. Finally, the cruise performance will be determined with the lift, drag and moment forces and coefficients. The simulations will be validated with a number of criteria including the residuals, the field studies and the mesh sensitivity studies. Recommendations will be made with the goal of advancing this study in the future and looking at its shortcomings.