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Étude numérique de la dispersion des émissions de moteur dans le sillage tourbillonnaire d'un avion en configuration hypersustentée

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Revelant, Maxime (2019). Étude numérique de la dispersion des émissions de moteur dans le sillage tourbillonnaire d'un avion en configuration hypersustentée. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Une augmentation importante du trafic aérien est à prévoir pour les prochaines années. La problématique de la qualité de l’air près du sol aux alentours des villes et des aéroports se pose. Le sillage tourbillonnaire d’un avion capture et transporte fortement les émissions en sortie de jet vers le sol en phase d’approche d’atterrissage. Durant cette phase, les pilotes utilisent des dispositifs d’hypersustentation tels que des volets afin d’obtenir un contrôle optimal de l’avion. La création de système multipolaire de tourbillons contrarotatifs a été observée dans le sillage d’avion en configurations d’hypersustentation. Ce système est composé d’une paire contrarotative de tourbillons (sens antihoraire l’un par rapport à l’autre) primaires issus des bouts d’ailes et d’une paire contrarotative de tourbillons secondaires de force et taille inférieures issus du bord interne des volets hypersustentateurs. La présente étude s’inscrit dans un cadre académique contribuant à une meilleure compréhension des processus de mélange et de dispersion d’un traceur passif mis en jeu dans la dynamique de sillage issue de ce type de configuration. La dynamique tourbillonnaire est modélisée par simulation numérique directe (DNS) en résolvant les équations de Navier-Stokes compressibles (N-S) dans le code de calcul FLUDILES développé au sein de l’ONERA. Les grandes échelles du sillage étudiées imposent l’utilisation de simulations temporelles. Les simulations numériques temporelles effectuées modélisent plusieurs configurations de deux paires de tourbillons contrarotatifs hors effet de sol où les tourbillons secondaires orbitent autour des tourbillons primaires dans chaque demi-plan de l’avion et s’induisent une vitesse vers le bas. Les différentes configurations ont été caractérisées selon le ratio des circulations et le ratio des distances des tourbillons secondaires et primaires (représentatifs de volets hypersustentateurs de nature diverse, placés à différents endroits sur les ailes). Les résultats numériques mettent en évidence la formation d’une instabilité d’un mode de flexion dans les tourbillons secondaires et d’une instabilité du mode elliptique dans les tourbillons principaux. Il est observé que la majorité du mélange du traceur avec le milieu extérieur s’effectue pendant la dynamique bidimensionnelle de l’écoulement (les tourbillons secondaires orbitent autour des primaires). Il est ensuite observé que l’amplification plus ou moins intense de l’instabilité du mode de flexion sur les tourbillons secondaires va modifier les processus de fin de mélange du traceur selon les configurations. Les différentes configurations étudiées ont mis en valeur deux tendances de dynamique tourbillonnaire et ainsi de dispersion des émissions. Ces tendances sont discutées vis-à-vis de la problématique de qualité de l’air aux alentours zones aéroportuaires et mettent en évidence que des stratégies sensiblement différentes de dispersion et d’homogénéisation des émissions moteurs sont possibles à l’échelle locale.

Titre traduit

Numerical study of the dispersion of engine emissions in the swirling wake of an airplane in high-lift configuration

Résumé traduit

A significant increase in air traffic is to be predicted for the next few years. The problem of air quality near the ground around airports and cities arises. The wake of an airplane strongly transports effluents from its engines to the ground during the approach phase. During this phase, pilots use high-lift devices such as flaps to obtain optimal control of the aircraft. The creation of a multipole system of contrarotating vortices has been observed in the wake of aircraft in high-lift configurations. This system consists of a counter-rotating pair of primary vortices (counterclockwise to each other) from the wingtips and a counter-rotating pair of secondary vortices of lower strength and size from the internal edge high-lift flaps. The present study is part of an academic framework contributing to a better understanding of the mixing and dispersion processes of a passive scalar involved in the wake dynamics resulting from this type of configuration. The vortex dynamics is modeled by direct numerical simulation (DNS) by solving the Navier-Stokes (N-S) equations in the code FLUDILES developed within ONERA. The large scales of the wake studied require the use of temporal simulations. The temporal simulations performed model several configurations of two pairs of contrarotating vortices out of ground effect where the secondary vortices orbit around the primary vortices in each half-plane of the aircraft and induce a downward speed. The different configurations were characterized according to the ratio of the circulations and the ratio of the distances of the secondary and primary vortices (representative of high-lift flaps of various nature, placed at different places on the wings).The numerical results highlight the formation of a bending mode instability in the secondary vortices and an elliptical mode instability in the main vortices. It is observed that the majority of the mixture of the scalar with the external domain is carried out during the two-dimensional dynamics of the flow (the secondary vortices orbit around the primaries). It is then observed that the more or less intense amplification of the instability of the bending mode on the secondary vortices will modify the end-of-mixing processes of the passive scalar according to the configurations. The different configurations studied have highlighted two trends of swirling dynamics and thus dispersion of emissions. These trends are discussed with respect to air quality issues around airport areas and highlight that different strategies for dispersing and homogenizing engine emissions are possible at the local level.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie de l'environnement". Comprend des références bibliographiques (pages 101-104).
Mots-clés libres: dynamique tourbillonnaire, instabilités, mélange, dispersion, CFD, DNS
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Dufresne, Louis
Codirecteur:
Codirecteur
Garnier, François
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie de l'environnement
Date de dépôt: 18 avr. 2019 19:20
Dernière modification: 18 avr. 2019 19:20
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2277

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