Comprendre les volets à l'aide de l'étude paramétrique SOLIDWORKS Flow Simulation
Fonction des volets sur les aéronefs à voilure fixe
Lors du décollage et de l'atterrissage, les aéronefs déploient souvent leurs volets pour augmenter la portance. La portance requise dépend de plusieurs variables, et la portance maximale possible n'est pas nécessaire pour la plupart des décollages et atterrissages. Cependant, comprendre la relation entre la déflexion des volets et la portance est essentiel pour la conception des aéronefs afin de réduire la vitesse et la longueur de piste nécessaires au décollage et à l'atterrissage.Simulation SOLIDWORKSest un outil puissant qui peut aider et rationaliser le processus de conception en calculant le comportement des fluides autour d'une pièce ou d'un assemblage.
Figure 1. La disposition de base d'un Cessna 172 avec ses volets illustrés en vert
Comment fonctionnent les volets
Les volets sont des dispositifs hypersustentateurs, généralement situés sur la partie arrière intérieure des ailes principales. Lorsqu'ils sont déployés (défléchis et/ou étendus), ils augmentent la courbure (appelée cambrure) et souvent l'angle d'attaque et la longueur de la corde de l'aile, ce qui entraîne une augmentation du différentiel de pression et de la portance.
Il existe plusieurs types de volets, mais les plus courants sont le volet fendu, le volet à fentes et le volet Fowler. Pour les besoins de cette étude, je peux brièvement aborder la fonction des volets à fentes.
Les volets à fentes laissent passer une certaine quantité d'air par une fente située sur leur bord d'attaque. L'espace rétrécit à mesure que l'air le traverse, ce qui accélère l'air et diminue la pression grâce à la loi de Bernoulli. Si vous êtes assis côté hublot lors de votre prochain vol et que vous êtes derrière les ailes, vous pourrez apercevoir un ensemble de volets Fowler à fentes composites qui génèrent encore plus de portance.
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Cette étude s'est déroulée en deux parties. Pour la première, j'ai utilisé SOLIDWORKS pour modéliser un profil NACA 2412 avec une longueur de corde de 1,63 m, sans volets, afin de générer un C.L(coefficient de portance) et CD(Coefficient de traînée) vs. α (angle d'attaque).
J'ai procédé ainsi pour vérifier que nos résultats correspondaient aux attentes et pour établir une base de comparaison. J'ai effectué une analyse paramétrique et hypothétique et mesuré la portance et la traînée d'un α de -15° à 30° (au-delà du α de décrochage typique de 15° à 20°).
J'ai modélisé le même profil NACA 2412 pour la deuxième partie, mais en le séparant en deux sections : le profil principal et le volet. J'ai utilisé une longueur de corde d'emplanture de 1,63 m avec une fraction de corde de volet de 25 %. Cela représente approximativement l'emplanture d'une aile de Cessna 172.
J'ai sélectionné le type de volet à fente unique pour représenter la conception du volet du 172.J'ai conçu cette étude de simulation pour qu'elle fonctionne avec un angle d'attaque de 10° par rapport au cordon principal.
J'ai utilisé la simplification de l'analyse 2D pour réduire le temps de calcul. Idéalement, j'effectuerais l'étude sur un avion entier, ou au moins sur une aile entière ; une telle étude dépasse la portée de cet article. À l'état actuel, l'analyse représente une aile « infinie » et montre la section C.Let la section CDcourbes.
Les deux parties de l'étude ont utilisé une vitesse du vent de 31,38 m/s, équivalente à 61 nœuds (vitesse de décollage/atterrissage typique du Cessna 172), et un nombre de Reynolds d'environ 3e6.
Résultats du profil aérodynamique sans volet
Les résultats de l'étude sur le profil sans volet correspondent étroitement aux résultats attendus prédits par la théorie du profil mince (pour les profils d'une épaisseur de 12 % de la corde ou moins) et aux données expérimentales.
Il convient également de noter l'emplacement de la traînée minimale. Cette valeur se produit à un α légèrement négatif, ce qui produit néanmoins une légère portance vers le haut. Ceci est également conforme aux attentes et, avec les autres résultats, valide le système et la configuration.
SOLIDWORKS Flow Simulation fonctionne parfaitement avec Microsoft Excel, et j'ai pu exporter et tracer les résultats en toute transparence. Le graphique ci-dessous montre les caractéristiques de portance et de traînée du profil aérodynamique lorsque α est modifié.
Je dois noter que la ligne de tendance de la partie linéaire du CLLa courbe a une pente qui correspond étroitement à la valeur attendue telle que prédite par la théorie du profil aérodynamique mince (lorsque α est mesuré en radians plutôt qu'en degrés, cette pente est proche de 2π).
Bien que la pente de la partie linéaire soit conforme aux attentes, le début du décrochage commence à un α de 21°. Les figures 2 et 3 montrent des images du profil aérodynamique avec l'écoulement attaché à 10° et détaché (décrochage) à 30°. Cet angle est supérieur aux 15°-20° que prédisent les données empiriques et analytiques.
L'erreur ici n'est pas très surprenante, car il est notoirement difficile de prédire le comportement d'un gradient de pression défavorable.
Figure 2. Carte des contours de pression du profil NACA 2412 à un angle d'attaque de 10° avec des lignes de courant superposées
Figure 3. Carte des contours de pression du profil NACA 2412 à un angle d'attaque de 30° avec des lignes de courant superposées. Prenez note du grand sillage derrière l'aile indiquant un décrochage et une perte de portance. 30° est bien au-delà du décrochage α attendu
Résultats du profil aérodynamique du volet
Les images du GIF ci-dessus sont des images en régime permanent montrant le champ de pression avec des lignes de courant superposées. Elles montrent un écoulement pleinement développé à chaque angle de déviation, sans aucun comportement transitoire.
De nombreux paramètres entrent en jeu dans la conception d'un volet à fentes, dont je n'ai examiné ici qu'un petit nombre. J'ai corrigé la conception et réalisé une étude paramétrique 1D pour déterminer C.Let CDen fonction de α. Les données recueillies sont présentées ci-dessous.
Une étude plus poussée nous aiderait à trouver le meilleur CLet CDCourbes en fonction de paramètres variés tels que la fraction du cordon du volet, la géométrie des fentes et des volets, l'emplacement des charnières, etc. SOLIDWORKS Flow Simulation permet de réaliser une telle étude, permettant ainsi de gagner du temps et de l'argent en avançant dans le processus de prototypage.
La figure 4 montre l'état de comparaison entre le profil sans volets et le profil avec volets, les résultats des deux études étant à 2 % l'un de l'autre.
Figure 4. Carte des courbes de pression du profil NACA 2412 avec braquage des volets de 0°, angle d'attaque de 10° et lignes de courant superposées. Cette figure est très proche de la figure 1, tout comme les résultats de force mesurés.
La déflexion des volets modifie l'écoulement autour du profil aérodynamique. Les champs de pression et les lignes de courant superposées à chaque état de conception illustrent certains détails de l'écoulement d'air dans les figures suivantes. Ces images peuvent aider le concepteur à déterminer les paramètres à prendre en compte lors de la conception.
Figure 5. Carte des courbes de pression du profil NACA 2412 avec un braquage des volets de 30°, un angle d'attaque de 10° et des lignes de courant superposées. Prenez note du léger tourbillon au bord de fuite du volet. 30° est le braquage maximal typique des volets d'un Cessna 172.
Figure 6. Gros plan du volet à fentes à 10° de débattement. Les parties rouge vif et bleu foncé illustrent la portance accrue générée par le volet à fentes. Prenez note du petit tourbillon (entouré de rouge) qui s'est formé derrière la partie principale de l'aile. Cela suggère que la conception géométrique pourrait être affinée afin de maintenir un écoulement constant dans la fente sur toute la plage de braquage attendue du volet.
Figure 7. Carte des contours de pression d'un profil NACA 2412 avec volets braqués à 60° et lignes de courant superposées. La formation d'un sillage est visible derrière le volet et correspond à une réduction de la portance et à une augmentation de la traînée.
Figure 8. Gros plan du volet à fentes à 60° de débattement. Ici, la portance a commencé à diminuer, et un débattement supplémentaire du volet ne fera que réduire la valeur de C.Lpendant que CDcontinue d'augmenter
Résumé
Grâce à SOLIDWORKS Flow Simulation, j'ai pu étudier la portance et la traînée d'un profil NACA 2412 avec et sans volets. J'ai aussi pu automatiser le processus d'exploitation de la conception grâce à une étude paramétrique.
Une étude plus robuste comparant plusieurs paramètres simultanément suivra et continuera de montrer comment SOLIDWORKS Flow Simulation est un outil puissant dans le processus de conception.
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À propos de Andrew Smith
Andrew Smith est ingénieur d'application et spécialiste en simulation chez GoEngineer. Andrew a obtenu son baccalauréat en génie mécanique et aérospatial ainsi que sa maîtrise en génie mécanique à l'Université d'État de l'Utah, où il a rédigé sa thèse sur l'aérodynamique du baseball et a découvert le phénomène Seam-Shifted-Wake. Il est passionné par le génie, la dynamique des fluides et la simulation, et adore aider les autres à trouver la meilleure solution d'ingénierie à leur problème. Lorsqu'il ne travaille pas, Andrew peut être trouvé en train de lire près des falaises ou de faire du vélo de montagne avec sa famille.
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