10 février 2025
Les hélices sont une composante incontournable des machines tournantes et des turboréacteurs. Elles sont utilisées pour convertir l’énergie des fluides en énergie mécanique ou inversement. On les retrouve dans le domaine du transport comme moyen de propulsion, mais aussi dans les domaines de l’énergie, de la ventilation (chauffage et climatisation) et dans beaucoup de procédés industriels pour le transport de fluides. L’efficacité de ces machines dépend de l’écoulement généré, lequel est déterminé par la géométrie des pales, leurs agencements et leur installation. Comment optimiser cet écoulement de façon à augmenter l’efficacité ou encore réduire les bruits émis constitue le champ de recherche principal de Marlène Sanjosé, professeur au Département de génie aérospatial de l’ÉTS.
Augmenter l’efficacité par une meilleure compréhension de l’écoulement
Bien que les applications liées aux hélices soient diverses, ce sont les mêmes phénomènes physiques qui sont en jeu. Grâce aux simulations numériques, on peut comprendre où l’énergie est dissipée au lieu d’être transférée et isoler les phénomènes qui contribuent aux pertes. La simulation permet de cartographier en 3D les vitesses et les pressions de l’écoulement sur une grille de calcul afin de cerner les patrons créés et les points d’inefficacité. Ces derniers découlent des inhomogénéités issues des turbulences de l’écoulement.
Réduire le bruit des hélices
Les simulations peuvent aussi servir à mieux comprendre comment le bruit est généré par les hélices. L’intensité et les fréquences produites par une hélice dépendront du point de fonctionnement des machines et de leur installation puisque ces derniers influencent l’écoulement.
En effet, le bruit émis par une machine tournante est causé par les inhomogénéités au sein de l’écoulement, soit par les tourbillons qui s’entrechoquent (bruit de mélange) ou encore par les tourbillons qui heurtent les surfaces (bruit d’interaction), surtout si celles-ci sont minces, comme c’est le cas des pales. Les simulations pourront aider à agir sur l’écoulement en revoyant l’installation ou en travaillant sur la forme des aubages, selon le cas.
Marlène Sanjosé, professeure à l’ÉTS
Rendre les simulations accessibles à l’industrie
Les simulations directes permettant de réduire le bruit sont très coûteuses en ressources de calcul. En effet, les grilles de calculs, couvrant plusieurs mètres, doivent inclure des éléments micrométriques sur les pales. Elles comptent donc jusqu’à une centaine de millions d’éléments. La résolution des équations physiques nécessite plusieurs millions d’itérations pour compléter des séquences de quelques centaines de millisecondes. Les ressources colossales nécessaires à ce type de simulation les limitent donc au milieu de la recherche, appuyée par l’Alliance de recherche numérique du Canada, laquelle met à disposition des chercheurs des serveurs de calcul de pointe.
Marlène Sanjosé et son groupe de recherche travaillent donc à développer d’autres approches, mieux adaptées aux réalités de l’industrie. Ces approches hybrides se basent sur le développement de modèles rapides à partir des résultats de simulations haute fidélité pour bien résoudre les sources de bruit et les réponses aérodynamiques. Ces approches permettent de réduire de beaucoup la complexité des calculs, donc les ressources nécessaires pour les effectuer.
Une recherche centrale à de nombreux secteurs
De nombreux secteurs névralgiques passent par les hélices et les machines tournantes comme l’énergie, la mobilité, le transport et la ventilation en environnement clos. Des équipements plus durables mécaniquement, plus acceptables socialement et moins dommageables pour l’environnement passent donc par une meilleure efficacité et une diminution de la nuisance sonore.
