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Mécanique des fluides et énergétique

Le domaine scientifique MFE


Denis Sipp

directeur scientifique du
domaine Mécanique des fluides et énergétique

Avancées récentes

Une partie des équipes ONERA en aérodynamique, acoustique et aéroélasticité, actuellement présentes sur les sites de Meudon et de Châtillon, rejoindront une implantation à proximité directe du nouveau bâtiment « Pôle de mécanique » de l’École polytechnique et de l’ENSTA ParisTech, et non loin du centre ONERA de Palaiseau dans la perspective de développer ensemble des recherches notamment dans le domaine de la défense (2024).

Une soufflerie de recherche sur le givre a été mise en service 2020 sur le centre ONERA de Toulouse. Elle est destinée aux études fondamentales, principalement sur l’impact en conditions givrantes des grosses gouttes en surfusion. L’acquisition de données expérimentales aidera au développement et à la validation des outils de simulation dans un cadre conforme aux nouveaux processus de certification.

Le Laboratoire de Mécanique des Fluides de Lille – Kampé de Fériet (CNRS UMR 9014) a été créé en 2018. Il résulte de la fusion d’une équipe du Laboratoire de Mécanique de Lille et d’une unité de recherche de l’ONERA Lille. Composé de 38 permanents et environ 25 doctorants et post-doctorants, le LMFL est présent sur trois sites situés à  Lille (ENSAM et ONERA) et sur le campus de Villeneuve d’Ascq (Centrale Lille, CNRS, Université de Lille).

MFE en résumé

Ce domaine recouvre les recherches sur l’aérodynamique et la propulsion des véhicules aéronautiques et spatiaux. Ces recherches sont réalisées respectivement par les départements Aérodynamique, aéroélasticité, acoustique  (DAAA) et Multi-physique pour l’énergétique (DMPE). Elles visent à accroître les performances et la sécurité des véhicules actuels et à développer de nouvelles configurations plus économiques et respectueuses de l’environnement.

En aérodynamique, on étudie les phénomènes fondamentaux - turbulence, décollements, tourbillons, ondes de choc...- qui limitent les performances des aéronefs, ainsi que leur couplage avec le comportement des structures (aéroélasticité) ; leur contribution au bruit (aéroacoustique) est aussi un important sujet de recherche.

Dans le domaine de l’énergétique, le développement de systèmes propulsifs plus efficaces et moins polluants repose sur la maîtrise des différents types de combustion (liquide, solide, hybride) et sur la conception et la caractérisation de nouveaux carburants. Ce domaine recouvre aussi des recherches sur le couplage de différentes physiques, telles que le comportement de matériaux soumis à des flux de chaleur intenses (lors de rentrées atmosphériques par exemple) ou encore la formation de givre sur les surfaces sensibles des aéronefs.

Ces recherches s’appuient sur l’utilisation d’un parc de moyens expérimentaux étoffé (souffleries, banc d’essais), sur les outils logiciels pilotés par le domaine scientifique Simulation numérique avancée (SNA), ainsi que sur les capacités des supercalculateurs de l’ONERA et de ses  partenaires.

Adjoints scientifiques des départements

Les thématiques MFE

Le domaine MFE regroupe 14 thématiques scientifiques réparties sur deux départements de l’ONERA - Aérodynamique, aéroélasticité, acoustique (DAAA) et Multiphysique pour l'énergétique (DMPE)

Acoustique : sources, propagation et impact

[CNU* 60] [CoCNRS* 9]

DMPE Frank Simon, Aurélien Genot (@onera.fr)

  • Bruit interne des aéronefs
  • Caractérisation de sources
  • Modèles d’impédance acoustique
  • Propagation en écoulement inhomogène

Exemples

Thèse d'Adrien Langenais Adaptation des méthodes et outils aéroacoustiques pour les jets en interaction dans le cadre des lanceurs spatiaux (avec le CNES)


Résonateurs type LEONAR de formes diverses

Prototype d’habillage d’aéronef avec concept vibro-acoustique fractal (SONATE), de porte de train d’atterrissage absorbant et d’un silencieux pour système de conditionnement d’air (LEONAR)

DAAA Maxime Huet, Patrice Malbéqui (@onera.fr)

  • Propagation acoustique en écoulement inhomogène
  • Modélisation des sources de bruit large bande et tonal
  • Effets d'installation des sources acoustiques sur aéronef
  • Technologie de réduction de bruit
  • Modèles d'impédance pour les matériaux absorbants
  • Bang sonique
  • Mesure en soufflerie et essais en vol
  • Localisation des sources de bruit par antennes de microphones
  • Nuisance et impact environnemental

Exemples


HiLiNo (High Lift Noise) Générer une base de données pour mieux comprendre la physique de la génération du bruit et valider les méthodes de simulation numérique du bruit des systèmes hypersustentateurs des avions civils, composante importante du bruit en phase d’approche

CIGALE, MOTUS Mieux comprendre le désagrément ou la gêne sonore générée par les aéronefs. Cette salle d’écoute  permettra de relier la gêne ressentie lors d’un passage d’avion à des facteurs individuels et sociétaux ou d’évaluer le désagrément généré par différentes technologies de réduction de bruit, par exemple.

InnoSTAT (Innovative Stator) Réduire le bruit des moteurs d’avion civil en diminuant l’interaction entre la turbulence et le bord d’attaque du stator de la soufflante. La forme des dentelures est optimisée à l’aide de calculs CAA (Computational AeroAcoustics).

Contrôle des écoulements

[CNU 60] [CoCNRS 10]

DAAA Colin Leclercq, Nicolò Fabbiane (@onera.fr)

  • Actionneurs (développement, caractérisation, estimation des performances, optimisation, sensibilité et commande distribuée)
  • Modélisation numérique (terme source, chimère, IBM…)
  • Méthodes adjointes
  • Boucle ouverte
  • Boucle fermée
  • Synthèse de lois de commande
  • Modèles réduits

Exemple

FLUIDYCON Fluid Dynamics Control Le projet a pour principal objectif de développer des méthodes de contrôle pour les phénomènes de dynamique des fluides. Cet objectif est évidemment accompagné de démonstrateurs à la fois numériques et expérimentaux (en soufflerie recherche). Des validations sur modèles numériques haute complexité et banc expérimentaux sont visés.

Développement de techniques de mesure et de montages expérimentaux

[CNU 60] [CoCNRS 10]

DMPE Arnaud Ristori, Jean-Yves Lestrade, Mikael Orain (@onera.fr)

  • Montages et diagnostics optiques
  • Capteurs
  • Méthodes et outils de traitement du signal et des données massives
  • Mesure de propriétés physico-chimiques en écoulements complexes et en conditions réelles
  • Outils de dimensionnement de montages
  • Conception et amélioration de montages et de moyens d’essais

Exemple

Les techniques optiques avancées sont développées en étroite collaboration avec les applications visant les chambres de combustion aéronautiques Des diagnostics optiques, tels que l'incandescence/fluorescence induite par laser, la PIV et la spectroscopie sont spécifiquement conçus et intégrés sur les bancs d'essai de l'ONERA pour caractériser la combustion dans des conditions similaires à celles rencontrées dans les moteurs d'avion. Un effort conséquent est fourni pour rassembler les compétences nécessaires dans les domaines tels que l'optique, la combustion, la mécanique des fluides et la thermodynamique afin de créer le soutien nécessaire au développement de la nouvelle génération de systèmes de propulsion moins polluants.

 

DAAA François Nicolas, Geoffrey Tanguy (@onera.fr)

  • Métrologie optique pariétale (TIR, MDM, PSP, TSP, frottement…)
  • Métrologie optique de champ (PIV, PIV3D, Holographie, BOS…)
  • Nouveaux capteurs
  • Algorithmes de traitements de données massives
  • Maitrise des similitudes, des incertitudes et du bruit de mesure
  • Amélioration des moyens d’essais

Exemple

 
 

CARACAL - Conception aéroélastique pour la réduction de charge à la rafale Les mesures couplées et instationnaires de déformée maquette (MDM) et de peinture sensible à la pression (PSP) ont caractérisé la réponse aéroélastique de la structure. Ces mesures en soufflerie permettront de valider la conception des voilures composites optimisées pour des charges à la rafale.

Dynamique des jets

[CNU 60] [CoCNRS 10]

DMPE François Vuillot, Adrien Langenais (@onera.fr)

Cette thématique couvre un grand nombre d'activités visant à une meilleure compréhension du développement et des possibles interactions des jets utilisés dans le domaine de la propulsion.

Axes

  • Jets multi-espèces, réactifs, souvent multi-phasiques et essentiellement supersoniques non-adaptés, en régimes laminaire et turbulent, continu et raréfié
  • Jets en interaction (clusters, impacts, crossflow, recirculation au culot, backflow et toss-back)
  • Aspects expérimentaux : montages, moyens de mesures et diagnostics optiques avancés
  • Aspects numériques : modélisations (turbulence, combustion, diphasique, rayonnement) et simulations (multi-physiques, RANS, LES, DNS, DSMC, HPC, couplages)

 

Exemples

L'environnement acoustique sur les pas de tir des lanceurs spatiaux


Jet impactant, tir LP13, projet SITADEL, DMPE/LPF - CFM 2023

Les diverses situations de jets impactant (aspects acoustiques, thermiques, mécaniques et multi-fluides)


Simulation numérique ONERA CEDRE de l’onde de souffle d'une configuration étudiée en avant-projet pour Ariane 6 (CNES)

Les jets liquides injectés dans un milieu gazeux


Jet d'eau débouchant dans une atmosphère au repos et atomisation. Calcul CEDRE,
thèse V. Morin, 2023

L’ambiance aérothermochimique au culot des lanceurs spatiaux et des missiles


Conception du montage d'étude ADiJe (jet supersonique, chaud, diphasique), projet DAMYSOS

Les signatures optique et électromagnétique des jets de missiles


Calcul des propriétés électromagnétiques du jet du 2e étage du lanceur spatial M-V (JAXA) à 85 km d’altitude – Simulation RANS avec le code CEDRE, projet SIMBA2.

Le blackout radio dû aux jets des lanceurs spatiaux et des missiles


Calcul de la détente d’un jet en milieu raréfié par une tuyère millimétrique (DLR) – Simulation couplée NS-DSMC avec les codes CEDRE et SPARTA, projet SIMBA2.

Dynamique des écoulements libres

[CNU 60] [CoCNRS 10]
  • Jets multi-espèces, réactifs, souvent multi-phasiques et essentiellement supersoniques non-adaptés, en régimes laminaire et turbulent, continu et raréfié
  • Jets en interaction (clusters, impacts, crossflow, recirculation au culot, backflow et toss-back)
  • Aspects expérimentaux : montages, moyens de mesures et diagnostics optiques avancés
  • Aspects numériques : modélisations (turbulence, combustion, diphasique, rayonnement) et simulations (multi-physiques, RANS, LES, DNS, DSMC, HPC, couplages)

DAAA Fabien Gand, Marie Couliou (@onera.fr)

  • Écoulements et sillages tourbillonnaires
  • Jets libres, sous-détendus, tournants, transversaux
  • Arrière-corps
  • Modèles de turbulence RANS, hybride RANS-LES
  • Reconstruction de fluctuations turbulentes

EASA Evolution aéro-thermo-chimique dans le sillage des avions Problématiques : contrôle des sillages et des traînées de condensation ; extension de la distance de simulation en aval de l’avion par optimisation HPC et techniques d’optimisation de maillage, avec l’ambition de faire le lien entre les domaines traités par les aérodynamiciens et par les climatologues ; optimisation de la géométrie des avions sur critères multiples dont l’évolution du sillage tourbillonnaire et l’impact sur l’environnement.

Dynamique des écoulements pariétaux

[CNU 60] [CoCNRS 10]

DAAA François Richez, Nicolas Renard (@onera.fr)
DMPE  François Chedevergne, Jean-Philippe Brazier  (@onera.fr)

  • Régimes subsonique, transsonique et supersonique
  • Transition laminaire / turbulent
  • Bulbes transitionnels
  • Réceptivité à des rugosités, à des excitations acoustiques et à la turbulence extérieure
  • Modèles de transition
  • Stabilité linéaire et non–linéaire
  • Turbulence
  • Interaction choc / couche limite
  • Tremblement
  • Décollement 2D, 3D
  • Décrochage
  • Pompage
  • Écoulements de coin
  • Écoulements bas Reynolds
  • Modèles de turbulence RANS, hybride RANS-LES
  • Lois de parois
  • Reconstruction de fluctuations turbulentes

Exemple

FROTTEMENT Meilleure compréhension physique de la génération de la traînée d’origine visqueuse ; meilleures techniques de mesure du frottement et pistes pour leur mise en oeuvre dans les souffleries ONERA ; amélioration de la modélisation turbulente du frottement, nouveaux modèles implantables dans les grands codes industriels ONERA.

ROOT Modélisation des effets dynamiques et thermiques des rugosités en paroi Constitution de bases de données expérimentales et numériques sur des cas de référence, développement d'une formulation Double Averaged Navier-Stokes s'appuyant sur la notion d'éléments discrets et pouvant être implantée dans les grands codes de l'ONERA.

Écoulements hypersoniques

[CNU 60, 62] [CoCNRS 10]

DMPE Julien Labaune, Ysolde Prévereaud  (@onera.fr)

  • Hypersonique froid et chaud
  • Modélisation de la transition, de la turbulence et des flux de chaleur
  • Écoulements hyperenthalpiques
  • Effets de déséquilibre chimique et vibrationnel
  • Effets de gaz raréfiés
  • Application à la rentrée atmosphérique et aux super-statoréacteurs
     

DAAA Reynald Bur, Guillaume Begou  (@onera.fr)

  • Hypersonique froid
  • Transition
  • Turbulence
  • Modélisation
  • Flux thermiques
  • Traînée de choc
  • Traînée visqueuse
  • Traînée de culot
  • Gouvernes

Exemple

MOPPHYP Modélisation de phénomènes physiques liés à l’hypersonique Faire progresser les outils numériques, théoriques et expérimentaux : simulation de la transition à grand nombre de Mach, modélisation de la turbulence pariétale hors équilibre adiabatique, compréhension de la dynamique des interactions onde de choc/couche limite.

Écoulements multiphasiques

[CNU 62] [CoCNRS 10]

DMPE Clément Le Touze, Davide Zuzio (@onera.fr)

  • Écoulements à phase dispersée
  • Écoulements à phases séparées
  • Écoulements à surface libre
  • Atomisation
  • Films liquides
  • Transferts aux interfaces
  • Phénomènes capillaires
  • Jets diphasiques

Exemple


FIRMAMENT - DNS de l'atomisation assistée dans un injecteur de moteur-fusée La Simulation Numérique Directe (DNS) HPC d’écoulements diphasiques permet de reproduire et de caractériser le complexe écoulement liquide dense se produisant à la sortie de l’injecteur. L’objectif de ces simulations est de progresser dans la compréhension des phénomènes et d’alimenter des modèles à plus grande échelle pour le calcul industriel des chambres de combustion.

 


LES d'un jet diphasique sous l'influence d'ondes acoustiques de haute amplitude

Écoulements réactifs

[CNU 62] [CoCNRS 10]

DMPE Dmitry Davidenko, Guillaume Pilla, Nicolas Bertier (@onera.fr)

  • Combustion
  • Thermodynamique des gaz réels et des mélanges
  • Allumage et extinction
  • Émissions polluantes
  • Bruit de combustion
  • Jets moteur
  • Instabilités de combustion

Exemple

COMETH Combustion cryogénique oxygène-méthane Apporter, dans le domaine de la propulsion liquide, des briques de modélisation et de compréhension supplémentaires en vue de simuler, à plus long terme, l’allumage et la montée en régime d’un moteur-fusée. Etre en support dans les phases de conception et en cas d’incident rencontré par l’industriel.

Exploitation de données expérimentales et numériques

[CNU 60, 61] [CoCNRS 10]

DMPE David Donjat, Nicolas Fdida (@onera.fr)

  • Traitement du signal
  • Fusion de données
  • Assimilation de données
  • Méthodes inverses
  • Quantification et propagation des incertitudes
  • Modèles réduits
  • Segmentation en analyse d’image
  • Techniques d’apprentissage
  • POD, sPOD, DMD
  • Analyse multi-échelle

Exemples

DAAA Olivier Marquet, Samir Beneddine (@onera.fr)

  • Estimation
  • Propagation des incertitudes
  • Techniques d’apprentissage
  • Modèles réduits mathématiques entrées / sorties
  • Fusion, Assimilation de données
  • POD - DMD – SVD
  • Extraction de trainée
  • Détection et identification paramétrique de non-linéarités structurales
  • Identification des sources acoustiques
  • Propagation du bruit
  • Détection acoustique d’objets mobiles
  • Dynamiques non linéaires appliqués aux aéronefs
  • Dynamique du vol en environnement inhomogène et instationnaire
     

ARENE - Assimilation pour la reconstruction d'écoulements numériques et expérimentaux Il s'agit de doter l’ONERA de  méthodologies et d’algorithmes d’assimilation de données permettant d’aborder un grand nombre d’écoulements d’intérêt aérospatial : développer des outils numériques avancés, et déterminer des protocoles expérimentaux menant à une caractérisation finale optimale. (Action conjointe des départements DAAA et DMPE)
 

Matériaux énergétiques, émissions et dispersion atmosphérique

[CNU 62] [CoCNRS 10]

DMPE  Ismael Ortega, Nicolas Bonne (@onera.fr)

  • Dégradation et analyse physicochimique des carburants, des propergols, des ergols liquides stockables
  • Formulation
  • Vieillissement
  • Compatibilité matériaux
  • Cokéfaction
  • Caractérisation des émissions
  • Aérosols
  • Suies
  • Traînées de condensation
  • Qualité de l'air aéroportuaire

Exemples

Simulation numérique 3D des traînées de condensation avec le code CEDRE par couplage entre l’aérodynamique, la chimie et la microphysique, utilisant une configuration réaliste d’un avion type 777

EMPIRE Étude et mesure des particules issues de réacteurs Évaluation systématique de l’impact de la composition du carburant sur les particules émises ou induites (volatiles et non-volatiles) menée sur un dispositif se substituant à un moteur d’avion.

Physique du givrage

[CNU 60, 62] [CoCNRS 10]

DMPE  Emmanuel Radenac, Lokman Bennani (@onera.fr)

  • Accrétion de givre
  • Systèmes antigivrages
  • Adhésion, fissuration et détachement du givre
  • Interactions goutte - paroi, SLD (« Super-cooled Large Droplets»)
  • Cristaux de glace

Exemple

SUNSET2 Studies on scling effects due to ice En collaboration avec la NASA, faire progresser les codes d’accrétion (IGLOO3D pour l’ONERA) et évaluer la précision requise sur les formes de givre 3D pour prévoir les dégradations de performance sur des ailes en flèches de grande dimension.
Des travaux numériques ont été menés (amélioration et benchmark du code IGLOO3D, calculs avec elsA des dégradations de performance, avec méthode classique body-fitted ou frontières immergées (IBM)) ainsi que des essais à la soufflerie F1.

La soufflerie givrante de l’ONERA a délivré ses premiers résultats lors du projet H2020 ICE-GENESIS pour l’étude de l’accrétion des grosses gouttes (SLD : Supercooled Large Droplets) sur les parois de structures aéronautiques. Ces grosses gouttes sont présentes dans la bruine ou la pluie verglaçante et constituent un risque pour les avions de transport, dont la maitrise est indispensable dans le processus de certification des appareils. Cette première base de données ainsi constituée permettra l’extension des modèles actuels de givrage.

Des simulations d’accrétion de givre sur une hélice ont été effectuées au cours du projet Flying Whales afin d’estimer des effets du givre sur des éléments d’un ballon dirigeable.  Cette figure illustre un calcul d'accrétion sur une hélice de 4m de diamètre tournant à 800 rpm. Trois solveurs ont été impliqués : elsA pour l’aérodynamique, SPIREE pour les trajectoires des gouttes d’eau surfondues et FILM pour le ruissellement de l’eau et l’accrétion du givre sur l’hélice.

La modélisation de la rupture de la glace sur des surfaces protégées contre le givre est menée dans leprojet TRICEPS -  coopération entre énergéticiens et spécialistes des matériaux et structures. Une expérience de validation des outils de simulation est prévue pour 2022 en soufflerie givrante. On appliquera des contraintes mécaniques très bien contrôlées sur une géométrie réaliste de bloc de givre afin d’en provoquer le détachement. L’expérience a été dimensionnée grâce à des simulations avec le code Z-set (figure) - une première pour ce type de calcul très coûteux en 3D.

Transferts thermiques et dégradation des matériaux

[CNU 60, 62] [CoCNRS  9,10]

DMPE Emmanuel Laroche, Gillian Leplat (@onera.fr)

  • Conduction
  • Convection forcée
  • Convection naturelle
  • Rayonnement
  • Jets impactant
  • Ablation
  • Pyrolyse
  • Oxydation

Exemples

REMED Recherche expérimentale et modélisation des échangeurs diphasiques Développement, implémentation et validation de modèles numériques dédiés aux écoulements eau-vapeur dans les échangeurs avec prise en compte du changement de phase et du ballottement. Création d’un banc représentatif d’un échangeur réel pour validation et création d’une base de données

DESORBITER Études expérimentales et modélisation de la dégradation des débris spatiaux durant la rentrée atmosphérique Mieux comprendre, modéliser, simuler la dégradation thermomécanique des débris spatiaux durant la rentrée.Lever des verrous scientifiques et techniques en aérothermodynamique, thermique, mécanique des structures et couplage fluide-structure

 

* CNU : relatif aux sections disciplinaires du Conseil national des universités (voir liste au CNU)
* CoNRS : relatif aux sections disciplinaires du Conseil national de la recherche scientifique, en vigueur au CNRS (voir CoNRS/sections)