Un modèle de simulation pourrait aider les aéronefs à réagir à la turbulence de sillage

Une nouvelle approche de modélisation permet aux ingénieurs de simuler une collision vortex entière sans avoir à effectuer un traitement de données approfondi sur un supercalculateur.

Chaque avion crée une turbulence de sillage en vol, ce qui entraîne deux tourbillons contrarotatifs traînant derrière l’avion. Ces tourbillons peuvent affecter d’autres aéronefs lorsqu’ils passent.

Selon le site Web de la FAA, «la turbulence de sillage de l’aéronef générateur peut affecter l’aéronef en rencontre en raison de la force, de la durée et de la direction des tourbillons».

La turbulence de sillage peut forcer un roulement qui dépasse le pouvoir de contrôle de roulis de l’aéronef en rencontre, causant des blessures aux passagers et des dommages à l’aéronef. De nombreuses variables peuvent affecter la turbulence de sillage, y compris la vitesse des deux aéronefs, la distance entre eux et la différence de taille. Une complexité supplémentaire entre en jeu lorsque les vortex se heurtent (ou dansent, comme le décrivent les chercheurs), créant un modèle de mouvement plus complexe et moins prévisible.

Un exemple extrême de l’impact de la turbulence de sillage est le vol QF94 2018 de Los Angeles à Melbourne. L’avion est entré dans un vortex, le faisant piquer pendant 10 secondes.

Pour aider à concevoir des avions capables de mieux manœuvrer dans ces situations extrêmes, les chercheurs de l’Université Purdue ont développé une approche de modélisation qui simule l’ensemble du processus d’une collision vortex en un temps de calcul réduit. Les données extraites de la simulation peuvent ensuite être utilisées pour aider les aéronefs à répondre à ces événements.

Une nouvelle approche de modélisation permet aux ingénieurs de simuler une collision vortex entière sans avoir à effectuer un traitement de données approfondi sur un supercalculateur.Une nouvelle approche de modélisation permet aux ingénieurs de simuler une collision vortex entière sans avoir à effectuer un traitement de données approfondi sur un supercalculateur.Université Purdue / Carlo Scalo

Avec des simulations plus réalistes et plus complètes, les ingénieurs peuvent concevoir des avions capables de manœuvres plus brusques ou des hélicoptères qui peuvent atterrir de manière plus sûre sur des porte-avions, ont déclaré les chercheurs.

«Les avions dans des conditions extrêmes ne peuvent pas s’appuyer sur une simple modélisation», a déclaré Carlo Scalo, professeur agrégé de génie mécanique à Purdue, dans un communiqué de presse. «Le simple fait de dépanner certains de ces calculs peut nécessiter de les exécuter sur un millier de processeurs pendant un mois. Vous avez besoin de calculs plus rapides pour concevoir des avions. »

Le modèle, qui nécessiterait toujours un supercalculateur pour fonctionner, est appelé «Simulation de grands tourbillons (LES) Coherent-vorticity-Preserving (CvP)». Les chercheurs ont appliqué le modèle CvP-LES aux événements de collision de deux tubes vortex connus pour suivre les ailes d’un avion et «danser» lorsqu’ils se reconnectent.

Le professeur de génie mécanique Carlo Scalo et son équipe utilisent des supercalculateurs pour développer des modèles qui simulent des phénomènes d'écoulement vortex.Le professeur de génie mécanique Carlo Scalo et son équipe utilisent des supercalculateurs pour développer des modèles qui simulent des phénomènes d’écoulement vortex.Université Purdue / Rebecca McElhoe

«Lorsque les vortex entrent en collision, il y a un affrontement qui crée beaucoup de turbulences», a déclaré Scalo. «Il est très difficile de simuler par ordinateur, car vous avez un événement localisé intense qui se produit entre deux structures qui semblent assez innocentes et sans incident jusqu’à ce qu’elles se heurtent.»

En utilisant le modèle CvP LES, les ingénieurs peuvent simuler des tourbillons sur n’importe quelle durée pour mieux ressembler à ce qui se passe autour d’un avion. Les physiciens pourraient également réduire le modèle pour les expériences de dynamique des fluides.

«Ce qui est vraiment intelligent dans l’approche du Dr Scalo, c’est qu’elle utilise des informations sur la physique des flux pour décider de la meilleure tactique pour calculer la physique des flux», a déclaré Matthew Munson, directeur de programme pour la dynamique des fluides au bureau de recherche de l’armée. «Il y a un énorme potentiel pour que cela ait un impact réel sur la conception des plates-formes de véhicules et des systèmes d’armes qui permettront à nos soldats d’accomplir avec succès leurs missions.