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Étude des instabilités des tourbillons de sillage d'avion en effet de sol

Doran, Pascal (2017). Étude des instabilités des tourbillons de sillage d'avion en effet de sol. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Avec l’augmentation de l’utilisation du transport aérien par les voyageurs, un trafic de plus en plus dense près des aéroports se forme. Le sillage de chaque avion représente une menace potentielle pour la stabilité d’un avion se trouvant à proximité de ce sillage. Cette menace est d’autant plus grande que l’avion est près du sol, comme dans le cas d’un avion en phase d’atterrissage et de décollage. Afin de minimiser les risques, une distance sécuritaire doit être imposée entre l’avion meneur et l’avion suiveur. Pour augmenter le trafic aérien, cette distance doit être minimisée. Pour ce faire, une étude des mécanismes de dissipation naturelle des sillages d’avion en effet de sol est réalisée. Cette étude s’obtient par DNS et des analyses de stabilité linéaire d’une paire de tourbillons contrarotatifs. Les simulations numériques modélisent la configuration d’une paire de tourbillons contrarotatifs en effet de sol, alors que l’étude analytique de stabilité modélise une paire de tourbillons contrarotatifs hors effet de sol. Il est observé que dans la configuration en effet de sol les tourbillons principaux de la paire s’induisent mutuellement une vitesse vers le bas. À l’approche du sol, des couches limites se forment et se séparent finalement pour devenir des tourbillons secondaires de moindres circulations que les principaux. L’étude du champ de perturbation des tourbillons à partir des résultats numériques met en évidence une instabilité typique d’un mode de flexion (ou bending wave) dans les tourbillons secondaires et le début de l’apparition d’une instabilité du mode elliptique dans les tourbillons principaux. De plus, l’étude de la stabilité linéaire du sous-système composé d’un tourbillon principal et d’un tourbillon secondaire corrobore les nombres d’onde identifiés à l’aide des simulations numériques. Or, il est déduit que seuls le ratio de circulations (Λ) et le rayon du tourbillon secondaire (a2/d) sont nécessaires pour prédire le nombre d’onde le plus instable par l’analyse théorique de la stabilité du système tourbillonnaire. Par la suite, l’effet d’un vent latéral est considéré. L’effet de ce vent est équivalent à l’ajout d’une vorticité de fond. Cette vorticité de fond a pour effet de rendre le système tourbillonnaire asymétrique. Les sous-systèmes gauche et droit, composés chacun d’un tourbillon principal et d’un tourbillon secondaire, interagissent différemment selon la vorticité résultant de la superposition de la vorticité de fond et celle du sous-système. Dans cette configuration en effet de sol avec un vent latéral, le ratio de circulations (Λ) et le rayon du tourbillon secondaire (a2/d) sont évalués. Ces deux paramètres permettent de déterminer, à partir de la même théorie de stabilité linéaire énoncée précédemment, le nombre d’onde le plus instable responsable de la dissipation naturelle du sillage d’avion.

Titre traduit

Study of instability of aircraftwake vortices in ground effect

Résumé traduit

With the increasing use of air transport for passengers, traffic increasingly dense near airports is formed. The wake of each aircraft represents a potential threat to the stability of a plane in the vicinity of this wake. This threat is even greater when the plane is near the ground, as in the case of an aircraft in landing and takeoff phase. To minimize risks, a safe distance must be imposed between the aircraft leader and follower aircraft. To increase air traffic, the distance should be minimized. To do this, a study of the wakes’ natural dissipation mechanisms in ground effect is achieved. This study is obtained by numerical simulations and linear stability analyzes of a pair of counter-rotating vortices. DNS models the configuration of a pair of counter-rotating vortices in ground effect, while the analytical stability study models a pair of counter-rotating out of ground effect. It is noted for in ground effect configuration the main vortices of the pair mutually induce a downward velocity. At ground approach, boundary layers are formed and eventually separated to become secondary vortices whose circulations are less than the principal’s. The study of the vortex perturbation field from the numerical results shows a typical bending mode instability in the secondary vortices and the beginning of the appearance of an elliptical instability in the main vortices. In addition, the study of the linear stability of the subsystem consists of a primary vortex and secondary vortex which corroborates the wave numbers identified using numerical simulations. Now, it is deduced that only the ratio of circulations (Λ) and the radius of the secondary vortex (a2/d) are needed to predict the most unstable wave number from theoretical analysis of stability the vortex system. Subsequently, the effect of a side wind is considered. The effect of the wind is equivalent to adding a background vorticity. This background vorticity has the effect of making the vortex system asymmetric. The left and right vortex subsystems, each composed of a main vortex and a secondary vortex, interact differently depending on the vorticity resulting from the superposition of the background vorticity and that of the subsystem. In this in ground effect configuration with a crosswind, the ratio of circulation (Λ) and the radius of the secondary vortex (a2/d) are evaluated. These two parameters are used to determine, with the same linear stability theory outlined above, the most unstable wave number leading to the dissipation of the aircraft wake vortices.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 249-254.
Mots-clés libres: Tourbillons (Mécanique des fluides) Sillage (Aérodynamique) Coussin d'air (Aérodynamique) Avions Stabilité. Tourbillons (Mécanique des fluides) Modèles mathématiques. dissipation, instabilité, tourbillons de sillage, effet de sol, stabilité linéaire, dynamique des fluids
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Dufresne, Louis
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 01 nov. 2017 17:44
Dernière modification: 01 nov. 2017 17:44
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1947

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