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Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédés, Energie (Blanc SIMI 9)
Edition 2012


HELIX


Dynamique de tourbillons hélicoïdaux

Dynamique de tourbillons hélicoïdaux
Etudes fondamentales sur les écoulements autour de rotors

Comportement des sillages d'hélicoptères et d'éoliennes
L'objectif de ce projet est d'acquérir de nouvelles connaissances de base sur la dynamique et les instabilités des systèmes de tourbillons hélicoïdaux, avec pertinence aux applications impliquant des écoulements autour de rotors. Celles-ci incluent notamment le sillage généré par un hélicoptère et l'écoulement derrière une éolienne à axe horizontal. Dans les deux cas, d'importants problèmes de mécanique des fluides existent, liés soit à la sécurité soit au rendement: le système tourbillonnaire généré par les pales d’un l'hélicoptère peut subir une transition dangereuse vers un état d’anneau (Vortex Ring State) dans des situations de descente rapide, et l'évolution spatiale du sillage d’une éolienne a une influence directe sur la performance d'une deuxième éolienne placée en aval, qui est aujourd'hui une situation courante. Malgré une grande quantité de données disponibles, ces phénomènes sont encore mal compris aujourd'hui, empêchant des avancées majeures dans ces domaines.

Des modèles simples vers les applications
Le projet HELIX se concentre sur l'étude de configurations génériques simplifiées, afin d’arriver à la compréhension physique aujourd’hui manquante de la dynamique des vortex hélicoïdaux, complétant ainsi les connaissances existantes, pour la plupart empiriques. Une approche originale sera développée, basée sur l'utilisation intense de la modélisation théorique, combinée avec des expériences et des simulations numériques dédiées, afin d'identifier les principaux paramètres régissant les instabilités et les transitions des systèmes de vortex hélicoïdaux. La même stratégie a déjà été appliquée avec succès par les partenaires du projet dans le cadre de précédentes collaborations européennes sur les tourbillons de sillage des avions, où des résultats significatifs nouveaux concernant les mécanismes fondamentaux de transition ont été obtenus.

Le projet comprend également des collaborations avec le constructeur d'hélicoptères EUROCOPTER, et avec le Groupe de Mécanique des Fluides de l'Université Technique du Danemark, qui sont des experts de premier plan en aérodynamique des éoliennes. Ils aideront les partenaires du projet HELIX à relier les résultats fondamentaux, obtenus en utilisant des modèles génériques, aux applications à grande échelle. Il est prévu que cet échange conduira à de nouvelles idées et des concepts pour identifier et contrôler le comportement des sillages de rotors, ce qui pourrait contribuer à améliorer la sécurité du vol des hélicoptères, et à augmenter l'efficacité et la durée de vie des éoliennes.

Résultats

Depuis le démarrage du projet HELIX début 2013, les résultats suivants ont été obtenus:

- Développement d’une théorie pour décrire un écoulement hélicoïdal modèle sans perturbation. Une solution asymptotique d'un tourbillon hélicoïdal a été trouvé dans le cadre général des tourbillons fins.

- Une étude expérimentale en canal hydrodynamique a permis d’observer et de caractériser l’instabilité d‘appariement local d’un seul vortex hélicoïdal, prédite théoriquement il y a plus de 40 ans.

- Une code numérique pour la simulation des sillages de rotors, utilisant la « méthode de la ligne active » (Actuator Line Method) a été parallélisé et utilisé pour caractériser davantage l’écoulement étudié expérimentalement.

- Amélioration d’un code numérique à symétrie hélicoïdale pour la simulation de systèmes de vortex en hélices.

Perspectives

Le projet produira des résultats fondamentaux nouveaux sur des configurations élémentaires de tourbillons. Ces résultat concernent des mécanismes de base de la dynamique tourbillonnaire (instabilités tridimensionnelles, fusion, transition globale, etc.) qui se retrouvent dans un grand nombre d’écoulement différentes - ils ont donc une portée générale bien au-delà des configurations hélicoïdales étudiées ici. Le projet HELIX apportera notamment des informations sur les effets de la courbure et de la torsion des tourbillons, qui n’ont jusqu’à présent été que peu étudiés.

L'analyse de stabilité des tourbillons en hélice permet d’évaluer la sensibilité de ces écoulements vis-à-vis des perturbations. Elle devrait donc fournir de nouvelles idées pour le développement de futures stratégies de contrôle du sillage d'un rotor, dans le but d’améliorer la sécurité du vol des hélicoptères, ou d’augmenter l'efficacité et la durée de vie des parcs d’éoliennes.

Productions scientifiques et brevets

ARTICLES

Bolnot, H., Leweke, T., Le Dizès, S. : Spatio-temporal development of the pairing instability in an infinite array of vortex rings. Fluid Dynamics Research (2013) – soumis

CONFERENCES

Leweke, T., Bolnot, H., Quaranta, H., Le Dizès, S. : Local and global pairing in helical vortex systems. Dans “Proceedings of the International Conference on Aerodynamics of Offshore Wind Energy Systems and Wakes (ICOWES 2013)”, Shen, W. Z. (éditeur), pp. 94-101 (2013) – 17-19 juin 2013, Lyngby/Copenhague, Danemark

Delbende, I., Rossi, M. : Dynamics of the three helical vortex system and instability. Dans “Proceedings of the International Conference on Aerodynamics of Offshore Wind Energy Systems and Wakes (ICOWES 2013)”, Shen, W. Z. (éditeur), pp. 224-235 (2013) – 17-19 juin 2013, Lyngby/Copenhague, Danemark

Ali, M., Abid, M. : Helical vortex wake: How far is the infinity? Dans “Proceedings of the International Conference on Aerodynamics of Offshore Wind Energy Systems and Wakes (ICOWES 2013)”, Shen, W. Z. (éditeur), pp. 236-246 (2013) – 17-19 juin 2013, Lyngby/Copenhague, Danemark

Leweke, T., Bolnot, H., Le Dizès, S. : Experiments on the pairing instability in helical vortices. IUTAM Symposium on “Vortex Dynamics: Formation, Structure and Function”, Abstract Book, pp. 98-99 – 10-14 mars 2013, Fukuoka, Japon

THESES, RAPPORTS

Quaranta, H. U. : Instabilities of helical vortices representative of wind turbine and helicopter wakes. Thèse de Master, Ecole Polytechnique/ENSAM, Paris (2013)

Partenaires

CNRSDR12_IRPHE Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre

LIMSI Laboratoire d'Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l'Ingénieur

Aide de l'ANR 284 834 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2013 - 48 mois

Résumé de soumission

L'objectif de ce projet est d'acquérir de nouvelles connaissances de base sur la dynamique et les instabilités des systèmes de tourbillons hélicoïdaux, avec pertinence aux applications impliquant des écoulements autour de rotors. Celles-ci incluent notamment le sillage généré par un hélicoptère et l'écoulement derrière une éolienne à axe horizontal. Dans les deux cas, d'importants problèmes de mécaniques fluides existent, liés soit à la sécurité soit au rendement: le système tourbillonnaire généré par les pales d’un l'hélicoptère peut subir une transition dangereuse vers un état d’anneau (Vortex Ring State) dans des situations de descente rapide, et l'évolution spatiale du sillage d’une éolienne a une influence directe sur la performance d'une deuxième éolienne placée en aval, qui est aujourd'hui une situation courante. Malgré une grande quantité de données disponibles, ces phénomènes sont encore mal compris aujourd'hui, empêchant des avancées majeures dans ces domaines.

Le projet HELIX se concentre sur l'étude de configurations génériques simplifiées, afin d’arriver à la compréhension physique aujourd’hui manquante de la dynamique des vortex hélicoïdaux, complétant ainsi les connaissances existantes, pour la plupart empiriques. Une approche originale sera développée, basée sur l'utilisation intense de la modélisation théorique, combinée avec des expériences et des simulations numériques dédiées, afin d'identifier les principaux paramètres régissant les instabilités et les transitions des systèmes de vortex hélicoïdaux. La même stratégie a déjà été appliquée avec succès par les partenaires du projet dans le cadre de précédentes collaborations européennes sur les tourbillons de sillage des avions, où des résultats significatifs nouveaux concernant les mécanismes fondamentaux de transition ont été obtenus.

Le projet comprend également des collaborations avec le constructeur d'hélicoptères EUROCOPTER, et avec le Groupe de Mécanique des Fluides de l'Université Technique du Danemark, qui sont des experts de premier plan en aérodynamique des éoliennes. Ils aideront les partenaires du projet HELIX à relier les résultats fondamentaux, obtenus en utilisant des modèles génériques, aux applications à grande échelle. Il est prévu que cet échange conduira à de nouvelles idées et des concepts pour identifier et contrôler le comportement des sillages de rotors, ce qui pourrait contribuer à améliorer la sécurité du vol des hélicoptères, et à augmenter l'efficacité et la durée de vie des éoliennes.

 

Programme ANR : Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédés, Energie (Blanc SIMI 9) 2012

Référence projet : ANR-12-BS09-0023

Coordinateur du projet :
Monsieur Thomas Leweke (Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre)
Thomas.Leweke@nullirphe.univ-mrs.fr

Site internet du projet : http://www.irphe.fr/~helix/

 

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