Experimental and numerical study of an electroactive “live-skin” applied to the morphing of aircraft wing prototypes for the greening of air-transport

Cette thèse étudie les performances aérodynamiques d’un nouveau concept de morphing basé sur une peau électroactive (« live-skin ») disposée sur des parties stratégiques de la voilure d’une aile d’avion, capable d’augmenter drastiquement les performances aérodynamiques. Elle s’inscrit dans le cadre du projet ANR-EMBIA (Electrical Multiscale Bioinspired Interfaces in Aeronautics, https://anr.fr/Projet-ANR-21-CE05-0006) et du HORIZON-2023-2027-PATHFINDER-Open-Project N° 101129952-BEALIVE-"Bioinspired Electroactive multiscale Aeronautical Live skin", http://horizon-europe-bealive.eu, https://cordis.europa.eu/project/id/101129952), coordonnés par Toulouse INP, Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - IMFT en synergie avec le Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie - LAPLACE. Cette thèse contribue à la mise en œuvre de cette peau active, partiellement bioinspirée, capable de former un système optimal d’interaction fluide-structure entre la surface portante et le fluide et d’interagir en temps réel avec les structures turbulentes entourant l’aile et développées dans son sillage. Ce concept est validé à travers de trois configurations d’ailes A320 en morphing correspondant aux régimes subsonique et transsonique. Le prototype « Intermediate Scale » (IS), de corde de 70cm et d’ envergure de 59cm, a été testé dans la soufflerie S4 de l’IMFT au nombre de Mach de 0,063, nombre de Reynolds de 1×10⁶ et angle d’incidence de 10°. Il intègre des Alliages à Mémoire de Forme (AMF) pour le morphing de cambrure à basse fréquence et grandes déformations, ainsi qu’un réseau de piezoactuateurs distribués composant le «live-skin» pour le morphing à plus haute fréquence à de faibles déformations. Des campagnes expérimentales détaillées ont constitué une large base de données de vitesses par la Time-Resolved PIV (TRPIV), des pressions instationnaires et des forces aérodynamiques. Une analyse modale a permis de quantifier l’effet du morphing sur les structures tourbillonnaires turbulentes à l’aide de la Proper Orthogonal Decomposition (POD), de la Spectral POD et de l’analyse spectrale des signaux instationnaires. Cette thèse a mise en évidence les intervalles optimales des paramètres d’activation du «live-skin», capables de produire une augmentation de la finesse aérodynamique de l’ordre de 10% et une réduction de traînée de l’ordre d 6%, simultanément avec une réduction des sources du bruit aérodynamique de l’ordre d’une dizaine de dB. Cette thèse a implémenté le «live-skin» sur le prototype «Large Scale» (LS) d’aile A320 avec volet hypersustentateur, de corde de 2,4m et d’envergure de 2,0m. Testé en soufflerie S1 de l’IMFT dans des conditions réalistes de décollage (voilure fixe à 2°, volet entièrement déployé, Re ≈ 2,25×10⁶), le système du live-skin, composé de trois rangées de piézoactuateurs distribués, a permis une augmentation de la portance de l’ordre de 8%. Une étude numérique paramétrique à haute-fidélité a été menée à Mach 0,78 et nombre de Reynolds 4,5×10⁶, en utilisant le solveur NSMB (Navier Stokes MultiBlock) et la modélisation de la turbulence OES (Organized Eddy Simulation) pour capturer les structures turbulentes cohérentes en régime transsonique. Les simulations ont révélé pour la première fois dans l’état de l’art, que cette approche du morphing créant des ondes progressives le long de zones de la voilure, permet simultanément, d’augmenter la portance, de réduire la traînée, d’atténuer les fréquences dominantes génératrices de bruit et de diminuer jusqu’à 90% les fluctuations de pression par atténuation de l’instabilité du tremblement en régime transsonique. Grâce aux performances obtenues, une diminution du débit du carburant de l’ordre de 3.5% est obtenue, indiquant ainsi la contribution de ce design à la réduction des émissions et du bruit aérodynamique, qui s’avère prometteur pour les avions durables de nouvelle génération.