Soutenance de thèse de Eduardo DURAN-VENEGAS

Historiquement, les rotors ont été développés pour la propulsion et la génération d’énergie. Pendant des décennies, les principales applications ont été les turbines, les éoliennes et les hélicoptères, pour lesquels de grands efforts de recherche ont été fournis. Or, aujourd’hui, il existe de nouvelles applications, comme les drones, qui nécessitent une recherche plus approfondie à cause de leurs spécificités. Par exemple, la grande flexibilité du rotor et les conditions de fonctionnement particulières auxquelles ils sont soumis continuent de constituer des challenges pour l'optimisation de leur design. Dans cette thèse, je propose un modèle fluide-structure couplé qui prend en compte la flexibilité des pales et qui s'applique dans des conditions de fonctionnement non-conventionnelles. Le modèle est suffisamment simple et robuste pour permettre la réalisation d'études paramétriques extensives. Il comprend un modèle pour le sillage, un modèle pour la structure flexible du rotor ainsi que pour le couplage entre le sillage et le rotor. Le sillage est décrit à l’aide de filaments de vorticité. Deux modèles du sillage sont considérés: un modèle classique de Joukowski, et un modèle généralisé de Joukowksi. Dans le modèle classique, deux tourbillons sont émis par pale, l’un sur l’extrémité de la pale et l’autre sur l’axe. Dans le modèle généralisé, le tourbillon axial est remplacé par un tourbillon de pied de pale décalé par rapport au centre. Pour les deux modèles de sillage, je montre que je peux obtenir des solutions stationnaires dans le repère du rotor pour un grand éventail de conditions de fonctionnement. Une analyse de stabilité est réalisée pour les solutions dérivées avec le modèle classique de Joukowski. Les résultats obtenus sont en accord avec la prédiction théorique obtenue pour des filaments hélicoïdaux uniformes. La nature convective/absolue de l’instabilité est aussi étudiée pour différentes conditions de fonctionnement. Les solutions stationnaires du sillage sont utilisées pour calculer le champ de vitesse induit dans le plan rotor. Ainsi, à partir de la loi de Kutta-Joukowski et de la théorie des éléments de pale (Blade Element Theory), je peux déterminer les charges aérodynamiques exercés sur les pales. Le couplage du rotor avec son sillage est alors implémenté dans un premier temps pour une configuration rigide. J'obiens des solutions couplées pour différentes rotors que je compare aux résultats numériques et expérimentaux publiés dans la littérature, mettant ainsi en évidence un accord tout à fait convenable. Dans un second temps, la flexibilité de la pale est prise en compte à l’aide d’un modèle de poutre élastique. Différentes solutions convergées sont obtenues pour des rotors flexibles en utilisant le modèle classique de Joukowski pour le sillage. Une étude paramétrique est également réalisée pour quantifier l’impact de l’élasticité de la pale sur la solution finale.

Rotors have been historically developed for harvesting and propulsion. For wind turbines and helicopters, decades of research have been done to optimize their design. For recent applications, such as drones, no such a research effort has been made. The high flexibility of the rotor and the different operational conditions still constitute challenging issues for their design. In this work, I propose a coupled fluid-structure model that takes into account the flexibility of the blades and works in non-conventional operational conditions. The model is sufficiently simple and robust to permit extensive parameter studies. It includes a model for the wake, a model for the flexible rotor structure and the coupling. The wake is described using vortex filaments. Two different wake models are considered: a classical Joukowski model, where two vortices are emitted per blade, one at the tip and one at the axis, and a generalized Joukowski model where the axial vortex is replaced by a hub vortex emitted away from the center. For both cases, stationary wake solutions are obtained in the rotor frame for a very large range of operational conditions. A stability analysis of the solutions derived with the classical Joukowski model is performed. A good agreement is demonstrated with the theoretical results for uniform helical filaments. The convective/absolute nature of the instability is also analysed for various operational conditions. Stationary wake solutions are used to calculate the flow in the rotor plane. Kutta-Joukowski law and Blade Element Theory are applied to obtain the aerodynamic loads exerted on the blades. The full coupling of the rotor with its wake is first implemented for a rigid configuration. Coupled solutions are obtained for different rotors and compared to experimental and numerical data published in the literature. A good agreement is observed for most cases. Then, blade flexibility is considered using a rod model for the blade. Various converged solutions for flexibles rotors are obtained using a classical Joukowski model for the wake. A parametric study is also performed to quantify the effects of blade elasticity on the solution.