La modélisation ou l’art de vaincre les difficultés en simulation aérodynamique
Turbulence et transition, les délicatesses de l'aérodynamique
Il se forme, à la surface d’un aéronef en vol, une fine « couche limite », dans laquelle l’air est très ralenti. Son épaisseur va de quelques millimètres à quelques dizaines de centimètres.
Au début de sa formation, cette couche est très calme, on la dit laminaire. Puis les filets d’air se mettent à osciller – c’est la transition, avant de devenir très perturbés et de se mélanger – c’est la turbulence. L’état de la couche limite doit être connu avec précision car il détermine les lois de frottement de l’air sur les surfaces. Ce frottement de paroi contribue à environ la moitié de la traînée des avions.
L’ONERA est reconnu mondialement pour ses développements théoriques permettant de prévoir transition et mélange turbulent dans la couche limite.
Ces modèles sont intégrés dans les logiciels ONERA Elsa et Cedre, ce qui permet aux industriels de les utiliser pour caractériser l’écoulement autour de configurations complexes (avion complet…) en tenant compte de la physique « délicate » de la couche limite, sans pour autant calculer exactement les petites fluctuations temporelles de la turbulence (rédhibitoire pour une configuration complète).
La ZDES : à chaque zone sa modélisation
La prévision des sources aéro-acoustiques responsables des nuisances sonores est un exemple où la connaissance précise du champ fluctuant dans un écoulement turbulent est nécessaire. Pour un aéronef complet un tel niveau de précision est rédhibitoire en nombre de points et temps calcul.
Pour répondre à ce défi, l’ONERA a développé une méthode multi-résolution appelée ZDES (Zonal Detached Eddy Simulation). Cette méthode permet de faire cohabiter dans une même simulation une modélisation moyennée dans le temps peu coûteuse et une modélisation plus avancée pour résoudre les fluctuations turbulentes.
Cela signifie que le modèle le plus performant n’est utilisé que là où il est vraiment nécessaire, permettant des temps de simulations compatibles avec les moyens informatiques actuels.