Aerodynamics, Energetics, and Propulsion Department (DAEP)

L’adaptation aux énergies non carbonées exige des évolutions importantes dans l’architecture des systèmes de transports. Pour un avion, de nombreux sous-systèmes tels que l’unité de propulsion ou de conditionnement d’air sont concernés. Ces évolutions se déclinent au niveau des composants, et se heurtent aux limitations de certains d’entre eux, telles que les turbomachines qui les composent. Ainsi, le processus d’électrification requiert des plages de fonctionnement à haut rendement des turbines et compresseurs qui se situent au-delà de l’état de l’art actuel. L’alimentation en air des piles à combustible rencontre les mêmes difficultés, ce qui bloque les développements.

La chaire industrielle ANR CASTOR est un programme de recherche partagé entre Liebherr Aerospace, fournisseur reconnu de systèmes d’air pour l’industrie aéronautique, et le DAEP de l’ISAE-Supaero. L’ambition consiste à accroître la flexibilité de fonctionnement et les performances des turbomachines radiales, très utilisées dans plusieurs secteurs industriels car compactes et robustes, mais dont la configuration géométrique induit des écoulements de grande complexité. Il s’agit, en particulier, de travailler sur les limites de fonctionnement des compresseurs, dont l’opérabilité est bornée par des limites physiques, telle la compressibilité du gaz, et surtout par des instabilités d’écoulement. C’est une question de long terme de la littérature scientifique spécialisée, sur laquelle il faut progresser pour mieux caractériser, puis repousser ces limites.

Les turbines souffrent depuis des décennies d’un fort tropisme pour l’approche classique du dimensionnement, qui est très efficace pour une spécification unique, mais qui perd de sa validité lorsque la spécification devient multiple, comme l’imposent les architectures plus électriques. L’analyse détaillée de rotors dimensionnés de manière non-conventionnelle est un bon point de départ pour faire ce diagnostic, et ajuster les méthodes, corrélations et modèles, tout en prenant en compte des dispositifs à géométrie variable, qui assurent la flexibilité de fonctionnement.

L’approche scientifique s’adosse à l’expérience de l’équipe TMP (TurboMachines et Propulsion) du département, qui contribue activement aux travaux de recherche sur les écoulements de turbomachines, et les méthodologies associées, fussent-elles numériques ou expérimentales. Mais les autres compétences du département sont également mises à contribution, comme l’expertise en méthodes de simulations numériques, y compris multiphysiques (aero-mécanique et thermique), ou l’analyse de stabilité des écoulements.

Deux bancs d’essais permettent de déployer une métrologie avancée donnant accès à la structure locale de l’écoulement. Ils permettent aussi de travailler les questions métrologiques, qui, dans un environnement aussi contraint, est un sujet de recherche à part entière. Un même travail méthodologique existe pour les outils de dimensionnement et de simulations numériques. L’organisation de la chaire, et la proximité géographique, promeut une forte intrication des équipes du DAEP et de Liebherr sur ces différents sujets, pour en faciliter le transfert. 

C’est ainsi une équipe d’une vingtaine de personnes, sur les deux sites, et une mise en commun de moyens d’essais, qui contribuent à ce projet de 4 ans. Le financement de 1,25 M€ des couts directs est assuré pour moitié par l’ANR et pour moitié par Liebherr. Le gain de flexibilité attendu des turbomachines radiales aidera à répondre aux exigences d’électrification des aéronefs. Il contribuera également au développement de piles à combustible ou de cycles de récupération de chaleur. Il favorisera l’émergence de nouvelles architectures de systèmes, qui pourront infuser d’autres secteurs industriels.

Contexte et objectifs de recherche       

L’ISAE-SUPAERO mène des recherches avancées en propulsion aéronautique et énergétique pour accompagner la transition du secteur. Depuis 2016, son département d’Aérodynamique, Énergétique et Propulsion développe des architectures innovantes pour améliorer les performances énergétiques des aéronefs. Treize brevets ont été déposés en collaboration avec Safran, reflétant un fort ancrage industriel. Parallèlement, une approche exergétique a été développée pour quantifier l’énergie récupérable dans les interactions entre la propulsion et la cellule avion. Cette méthode, intégrée au logiciel libre Epsilon, est aujourd’hui utilisée par plusieurs acteurs du secteur aéronautique.

Valorisation technique : le concept Multifan    

Depuis 2017, l’ISAE-SUPAERO travaille sur le système multifan, une architecture propulsive qui répartit la poussée sur plusieurs ventilateurs indépendants. Cette approche permet d’augmenter le taux de dilution des moteurs tout en respectant les contraintes de garde au sol. Les principaux avantages du multifan sont :

• l’amélioration du rendement propulsif et réduction de la traînée ;
• l’interaction optimisée avec la voilure, améliorant stabilité et performance énergétique ;
• la possibilité de vectorisation de la poussée, réduisant le besoin d’une dérive arrière.

Des simulations CFD en 2D et 3D ont mis en évidence des bénéfices aérodynamiques, notamment via l’ingestion de choc et l’interaction tourbillonnaire, conduisant à plusieurs brevets.

L’exergie appliquée à l’aérodynamique              

L’approche exergétique développée vise à quantifier l’énergie utile récupérable des interactions moteur-voilure. Contrairement aux architectures classiques où la propulsion et la cellule sont distinctes, le multifan permet une meilleure synergie, notamment via l’exploitation du sillage et des couches limites. L’exergie distingue :

• l’énergie récupérable (exergie), exploitable pour améliorer l’efficacité ;
• l’énergie perdue (anergie), due aux irréversibilités thermodynamiques.

Ces analyses ont été validées expérimentalement en soufflerie, démontrant leur pertinence pour optimiser les configurations aéronautiques.

Outil numérique : le logiciel Epsilon

Les concepts exergétiques ont été intégrés dans le logiciel libre Epsilon, un plugin pour Paraview. Cet outil permet d’analyser les données issues de simulations numériques et d’essais expérimentaux en intégrant une approche exergétique. Depuis sa mise en libre accès en 2022, Epsilon est utilisé par des industriels comme Airbus et Safran, ainsi que par plusieurs universités internationales, renforçant son impact dans la recherche aéronautique.

Formation des étudiants et perspectives

L’ISAE-SUPAERO intègre ces avancées dans ses formations, particulièrement à travers un nouveau module d’enseignement sur l’exergie en aérodynamique, lancé en 2023. Ce cours de 20 heures combine théorie et applications pratiques. En parallèle, un projet de prototype volant, soutenu par Airbus, a été lancé en 2022 avec une dizaine d’étudiants. Il vise à concevoir une maquette A350 équipée du système multifan, offrant une opportunité unique d’apprentissage appliqué.

Conclusion

Le multifan et l’approche exergétique développés par l’ISAE-SUPAERO apportent des solutions novatrices pour l’avenir de la propulsion aéronautique. Grâce à des avancées technologiques et numériques, ces travaux contribuent activement à l’optimisation énergétique du secteur.

L’institut poursuit également sa mission de formation d’excellence, intégrant ces innovations pour préparer les futurs ingénieurs aux défis de l’aéronautique durable.

La Genèse

À la fusion des équipes de recherches de SUPAERO et l’ENSICA, les chercheurs sur l’activité de simulation des écoulements compressibles ont choisi de mutualiser leurs activités respectivement sur les méthodes numériques et la modélisation haute-fidélité des écoulements turbulents dans un même outil de calcul, sur maillages non structurés, dans le but de garder une autonomie importante dans le développement de méthodes et de modèles, mais aussi de maintenir la capacité de simulation de configurations plus appliquées dans un contexte massivement parallèle.

Les paragraphes suivants détaillent les développements méthodologiques, ainsi que les projets orientés sur la production de résultats et l’étude de la physique.

Aujourd’hui, ce code est largement utilisé dans le département, par les trois groupes, même si le groupe D2F reste le principal développeur et utilisateur.

Dans le département, 10 chercheurs sont a minima utilisateurs, dont six sont développeurs ou encadrent des développements.

Depuis 2023, un ingénieur est en soutien spécifique du développement et de la productivité sur les activités de recherche, en particulier la portabilité sur les calculateurs externes.

Les développements méthodologiques               

Compte tenu des objectifs principaux (simulation de type LES ou DNS des écoulements compressibles), la structure de base du code est une architecture de partitionnement de maillages non-structurés avec une intégration explicite de type Runge-Kutta et des communications non-bloquantes. Le schéma initial hybride centré/upwind avec senseurs divers (de choc en particulier) a été complété par une restructuration complète et compatible avec les schémas spectraux de type SD et FR, par Lamouroux (2016) puis Saez-Mischlich (2021). Parallèlement, Saez-Mischlich (2021) a développé aussi bien en Volumes Finis (VF) qu’en spectral (SD) les fonctionnalités ALE pour les maillages en mouvement (ici non déformés) et sliding mesh qui ouvrent aux applications rotors et turbomachines. Un développement spécifique (en VF) par Rolandi (2021) permet de forcer un écoulement stationnaire (méthode Selective Frequency Damping) et d’en faire l’analyse de stabilité par une méthode de Krylov/Différence Finies mais aussi de réaliser une analyse de Floquet pour la stabilité secondaire d’un écoulement périodique.

La simulation au service de la physique

Ces développements ont permis d’obtenir un outil fiable et performant pour la production de résultats pour l’analyse physique des écoulements. On citera :

• Les écoulements supersoniques : interaction onde de choc / couche limite turbulente sur des configurations académiques, avec forçage (générateur de vortex) ou sur des configurations plus appliquées (entrée d’air supersonique)
• Les écoulements turbulents sur profils et rotors, pour la prédiction des performances, des sources acoustiques (par exemple, effet de cavités, de parois perforées) et l’identification de couplage aéroacoustique
• La stabilité des écoulements décollés ou de sillage à faible nombre de Reynolds
• Écoulements pulsés dans les turbines

Projets

Sur le plan méthodologique, même si les méthodes spectrales ont été utilisées dans des configurations supersoniques, il s’agit d’une situation particulièrement sensible et sévère pour ces méthodes d’ordres élevés. Une thèse est en cours pour optimiser le compromis robustesse/précision dans des situations de capture de choc dans des écoulements turbulents. Un autre axe de développement est maintenu sur le module de stabilité pour inclure l’opérateur adjoint et donner accès à des méthodologies d’optimisation et de contrôle.

Les principales applications à moyen terme sont les écoulements supersoniques avec choc, dans les entrées d’air et à venir dans les tuyères et les jets.