Par Aman Basawanal
Introduction
Une question que l'on nous pose souvent est la suivante : « Nous prévoyons de réaliser des simulations CFD, devons-nous toujours tester nos moteurs et hélices de manière expérimentale ? »
Nous sommes peut-être biaisés, mais notre réponse est toujours oui, et pour de bonnes raisons.
Nous réalisons nous-mêmes de nombreuses simulations CFD, mais nous reconnaissons qu'elles ne permettent pas d'obtenir des réponses définitives sur un système de propulsion ; elles nous permettent simplement de faire des prédictions sur les performances potentielles d'un moteur ou d'une hélice.
Les simulations sont particulièrement utiles pour prédire les effets de la modification de variables spécifiques dans un système déjà bien caractérisé.
Quelle est l'ampleur de la différence entre la simulation et la réalité ? Cela dépend de nombreux facteurs, comme le choix des modèles de turbulence, le type et la taille du maillage, les conditions aux limites et les méthodes de discrétisation utilisées.
Dans ce rapport, nous avons quantifié la différence entre la simulation et la réalité pour une hélice de drone de 60 pouces ; résultats ci-dessous.
Résumé du rapport
Ce rapport résume les tests et les simulations que nous avons effectués pour déterminer la relation entre les résultats de la simulation numérique et les données expérimentales pour une hélice de drone de 60 pouces.
Le logiciel Ansys Fluent a été utilisé pour générer un modèle CFD de notre hélice de 60 pouces, qui a ensuite été testé expérimentalement avec le banc de poussée Flight Stand 150.
Ce que nous avons découvert, c'est qu'au cours des tests de 1000 à 2000 tr/min, la simulation CFD a sous-estimé la poussée de 69 %.
Les simulations et les tests expérimentaux ont été réalisés en parallèle sur plusieurs semaines. La simulation Ansys a été conçue pour imiter l'espace de laboratoire expérimental, incluant la proximité des murs, les obstacles et la taille globale de la pièce. Le banc de poussée et le système de propulsion ont également été modélisés aux dimensions exactes de leurs homologues réels. Chaque simulation Ansys prenait en moyenne 10 jours à réaliser en utilisant un ordinateur doté d'un GPU de dernière génération. Parfois, la simulation échouait à converger et les paramètres devaient être ajustés avant de la redémarrer. Dans l'ensemble, la douzaine de simulations que nous avons effectuées a nécessité environ 20 semaines de travail. Avant les simulations, notre équipe a suivi 16 heures de formation avec un consultant. En parallèle, nous avons effectué des tests expérimentaux en utilisant le banc de poussée Flight Stand 150. Nous avons utilisé une alimentation de 60 kW pour alimenter le banc, équipé d'un moteur TA150 et d'une hélice de 60 pouces. Figure 2 : Hélice de 60 pouces modélisée dans Ansys (gauche) et testée sur le Flight Stand 150 (droite) Banc de poussée : Flight Stand 150 (150 kgf / 150 Nm) Moteur : TA150 Hélice : 60 pouces de diamètre ESC : Pulse P40 Source d'alimentation : Alimentation de 60 kW de MCB Electronics Logiciel : Logiciel Flight Stand Zone de test : Distance du Flight Stand au mur arrière - 3 m Distance du domaine rotatif au mur supérieur - 3 m Distance du domaine rotatif aux murs latéraux - 2,74 m Logiciel Ansys Fluent - Version R1 (21.1) Géométrie du domaine statique X - 7,06 m (largeur) Y - 5,1 m (hauteur) Z - 15,3 m (longueur - du mur en aval de l'hélice au mur en amont de l'hélice) Maillage Schéma de discrétisation Modèle de turbulence Figure 3 : Courbe de poussée en fonction du régime (RPM) pour les données expérimentales et CFD Un script Python a été développé pour trouver une relation entre les données expérimentales et les données CFD en utilisant la régression polynomiale des moindres carrés. Cette relation a été développée en utilisant UNIQUEMENT les points de données expérimentaux disponibles jusqu'à 1900 tr/min. L'objectif de cette régression était de générer une fonction comme suit : Les étapes entreprises pour y parvenir sont les suivantes : Les équations générées et les graphiques pour la plage de données concernée sont présentés ci-dessous : Figure 4 : Ajustement par les moindres carrés des données de poussée expérimentales Figure 5 : Ajustement par les moindres carrés des données de poussée CFD Figure 6 : Régression des moindres carrés des données de poussée expérimentales et CFD Comme le montre la figure 6, il existe une relation linéaire entre les données expérimentales et les données CFD. La valeur de la poussée expérimentale est environ deux fois supérieure à la valeur de poussée prédite par la CFD. Cette section explique comment estimer les forces de pression exercées par une hélice sur la structure du Flight Stand à partir de données expérimentales à un régime constant. Le processus est suivi pour une hélice de 60 pouces à 2 pales sur le Flight Stand 150 et les résultats sont présentés ci-dessous. Prémisse : Hypothétiquement, si une hélice parfaitement équilibrée fixée à l'unité de mesure de force (FMU) tourne librement en l'absence de structure de support, les mesures « Mx » et « My » seraient nulles. Cependant, en présence d'un banc, chaque fois qu'une pale d'hélice passe devant la structure, une zone de haute pression est créée entre la pale de l'hélice et le banc. Cela amène la FMU à enregistrer un moment Mx. Ce moment peut être utilisé pour estimer la force maximale sur le banc due à l'interaction fluide-structure. En réalité, les hélices ne sont pas parfaitement équilibrées et peuvent avoir une pale générant plus de poussée que l'autre (pour une hélice bipale). Cela entraînerait une mesure oscillatoire « My » sur la FMU, le maximum étant atteint lorsque les deux pales de l'hélice sont à 90 degrés du banc (position horizontale de l'hélice). En l'absence de banc, ce moment apparaîtrait comme une mesure « Mx » lorsque l'hélice est alignée verticalement et comme une mesure « My » lorsque l'hélice est alignée horizontalement. L'amplitude de ce moment dû à une hélice déséquilibrée reste constante tout au long d'un cycle mais change continuellement de direction. Lorsque l'hélice est alignée verticalement avec une pale devant le banc, la somme ou la différence (selon la façon dont l'hélice est déséquilibrée) entre la mesure maximale « Mx » et la mesure maximale « My » au cours d'un cycle complet, représente le moment résultant généré purement en raison de l'interaction fluide-structure entre l'hélice et le banc. C'est la méthode utilisée pour estimer la force sur le banc due à l'interaction fluide-structure. La force sur le Flight Stand 150 a été estimée en utilisant cette méthode avec une hélice de 60 pouces montée dessus et tournant à 1932 tr/min. Les forces et les moments autour des trois axes ont d'abord été calculés en utilisant les valeurs brutes de tension des capteurs de force. Après avoir obtenu ces valeurs, les mesures « Mx » et « My » ont été superposées. Figure 7 : Mx et My pour l'hélice sur le banc au fil du temps Dans la figure ci-dessus, la distance entre deux lignes pointillées vertes « -. » indique une révolution complète de l'hélice. Nos résultats ont démontré qu'un modèle CFD était capable de prédire les performances de poussée de l'hélice avec une différence de 69 % par rapport aux données mesurées expérimentalement. Une approche idéale pour les essais de propulsion utilise à la fois des simulations CFD et des tests expérimentaux pour caractériser les performances du groupe motopropulseur. Une fois les données expérimentales collectées, une relation peut être établie entre les données CFD et les données expérimentales, ce qui permet de prédire les valeurs de poussée et de couple pour des régimes plus élevés jusqu'à une certaine valeur. Une fois cette relation établie, elle peut être utilisée pour faire des prédictions sur les performances du système avec de légères modifications, comme l'utilisation d'une hélice avec un pas différent, ou le fonctionnement du système à un régime plus élevé. En général, la CFD est utile pour faire des prédictions, mais il est toujours judicieux de valider les résultats de manière expérimentale. Si vous souhaitez tester vos moteurs et hélices de manière expérimentale, nous vous recommandons l'un des bancs d'essai ci-dessous :Procédure
Spécifications :
Test expérimental :
Modèle CFD :
Résultats
Calcul de la force sur le banc à partir des données expérimentales :
Conclusion