Couplage multi-fidélité de particules tourbillonnaires avec lignes portantes et méthode Eulérienne pour la simulation d’écoulements aéronautiques 3D visqueux

Cette thèse présente le développement d'une approche multi-fidélité pour la simulation d'écoulements 3D instationnaires et visqueux autour de configurations aéronautiques complexes, en utilisant la Vortex Particle Method (VPM) Lagrangienne couplée avec une Ligne Portante ou une méthode Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) Eulérienne. L'objectif premier est de fournir une méthode à la fois numériquement efficace et précise afin de modéliser la dynamique des tourbillons, les interactions de sillage, et l'évolution de structures tourbillonnaires pour des applications aéronautiques. Au centre de cette méthode se trouve la VPM, qui simule l'évolution des tourbillons et la dynamique du sillage avec une faible dissipation numérique et sans nécessiter de maillage du domaine fluide. Cela devient idéal pour capturer des interactions de sillage complexes présentes dans les simulations aéronautiques. Cependant, la VPM seule est mal adaptée pour capturer les effets proches parois cruciaux pour la prédiction des performances aérodynamiques. Pour répondre à ces problèmes, la VPM est d'abord couplée avec une méthode Ligne Portante afin de modéliser des surfaces portantes efficacement, permettant ainsi l'interaction entre le fluide et des corps solides. Une méthode Eulérienne est également intégrée afin de résoudre de façon détaillée les effets visqueux et compressibles proches des parois. Cette approche multi-fidélité hybride entre la VPM et l'URANS permet de simuler à la fois le transport du sillage vers le champ lointain et l'évolution des interactions avec les couches limites près des surfaces solides, rendant ainsi cette méthode applicable à une large variété d'écoulements. Afin de pallier aux limitations connues inhérentes à la VPM, plusieurs contributions sont mises en avant dans cette thèse. Un modèle dynamique de viscosité turbulente est ainsi développé pour la VPM, améliorant la diffusion visqueuse dans les écoulements à fort Reynolds. Afin de maintenir la stabilité numérique, en particulier dans les régimes turbulents, une nouvelle méthode de filtrage fondée sur l'enstrophie est introduite, aidant ainsi à préserver la cohérence des tourbillons dans les écoulements très turbulents. La VPM, ainsi que son couplage avec des Lignes Portantes et l'URANS, est validée avec des cas de référence analytiques, expérimentaux et numériques, incluant entre autres des tourbillons analytiques, des ailes, des hélices, des éoliennes, des drones et des rotors d'hélicoptère en vol stationnaire. Ces résultats démontrent de la précision et de l'efficacité de cette approche à simuler une large gamme d'écoulements aéronautiques complexes à un coût numérique raisonnable tout en étant apte à capturer des caractéristiques clefs de l'écoulement. Cette thèse fournit des méthodes couplées multi-fidélités capables de résoudre un large éventail de configurations aéronautiques, faisant de la VPM un outil puissant dans l'optimisation de designs aérodynamiques modernes, l'évaluation des performances, et la simulation de domaines de vol.