Nouvelles approches pour la recherche sur la dynamique

Mahmood Khalid et Hongyi Xu montrent des simulations à grandes échelles.

L'équipe de la Dynamique computationnelle des fluides (DCF), que dirige Mahmood Khalid, à l'IRA, est sur le point d'entreprendre les premières simulations canadiennes de grandes échelles (SGÉ), domaine critique de la dynamique des fluides qui attire beaucoup d'attention — et de financement — partout au monde.

"La stabilité en vol tient à la façon dont l'air se déplace autour de l'avion. Pour maîtriser ce paramètre, les scientifiques doivent mieux prévoir et modifier les écoulements d'air par la dynamique des fluides, explique M. Khalid. Nous devons comprendre les mathématiques et la physique du phénomène, surtout des SGÉ, pour la conception et la sécurité en aérospatiale. Notre objectif consiste à accroître la précision, et les prévisions, des modèles informatiques à la fine pointe de la recherche."

Les avions doivent subir régulièrement les effets de la dynamique des fluides, en raison des orages et des courants océaniques. Mais les SGÉ concernent virtuellement tous les domaines de la science et de la technologie — de la circulation sanguine aux feux. Le champ de recherche est si vaste qu'on ne peut l'aborder qu'en passant par la collaboration internationale. Pour mieux coordonner les recherches, l'IRA s'est donc associé à l'Université nationale Tsing Hua de Taïwan. Les deux organismes engagerons des stagiaires postdoctoraux pour relever le défi.

D'abord employé par les scientifiques du National Center for Atmospheric Research pour étudier le climat, la SGÉ est maintenant en usage dans la plupart des secteurs techniques. Elle permet de comprendre les écoulements plus facilement en résolvant les problèmes associés aux déplacements sur une grande échelle, qui véhiculent la majeure partie de l'énergie, et en modélisant ces derniers à une échelle réduite. On arrive ainsi à simuler un champ d'écoulements moyen qui contient moins de détail mais qui fournit des renseignements néanmoins fort utiles. "En aérodynamique, la SGÉ signifie qu'on peut analyser la structure fine de l'écoulement à l'échelle sous-maille, invisible à l'oeil nu, dit Khalid. Il s'agit d'une formule mathématique qui nous aide à maîtriser les turbulences davantage."

Comprendre les turbulences est le noeud du problème en DCF. Ce sont les turbulences qui entraînent la division de l'écoulement, la traînée et la portance sans lesquels les avions ne voleraient pas. Il est très difficile d'obtenir une simulation réaliste des turbulences. Jusqu'à présent, aucun modèle peut expliquer comment il y a échange d'énergie entre les tourbillons à l'origine des turbulences. L'équipe de la DCF de l'IRA tente d'élucider le comportement des tourbillons et les mécanismes d'échange entre les écoulements à l'origine de ce comportement en étudiant les structures très cohérentes et anisotropes engendrées par la SGÉ, surtout quand il y a une forte distorsion ou séparation du champ.

Khalid explique : "Une simulation est précise dans la mesure où nous savons pourquoi les écoulements turbulents se séparent. Il est facile de modéliser l'écoulement d'air quand il adhère au fuselage, mais dès que s'amorce la transition laminaire-turbulent, les prévisions se compliquent considérablement. Nous essayons de mieux saisir cette instabilité en perfectionnant les modèles informatiques."

L'équipe de la DCF n'en est pas à sa première collaboration dans la résolution des problèmes d'écoulement. Ses travaux avec l'industrie canadienne et le ministère de la Défense nationale (MDN) l'ont amenée à concevoir des profils de voilures, à modéliser l'écoulement de l'air qui passe à travers une nacelle, à étudier les turbulences et à calculer les trajectoires des armements. Récemment, l'équipe s'est jointe à Bombardier Aéronautique pour examiner les écoulements dans le sillage des voilures à éléments multiples. À cause de ses liens étroits avec le MDN, les codes de l'équipe ont servi à calculer les écoulements à l'arrière des CF-18 et des Aurora des Forces canadiennes, ainsi que des hélicoptères Bell. Enfin, un projet coopératif de cinq ans avec le Centre de recherches pour la défense de Valcartier lui a permis d'approfondir les écoulements créés par les configurations de missiles ultra-perfectionnés et de projectiles à haute énergie cinétique.

Les chercheurs de l'équipe travail aussi sur des problèmes de recherche pure. Depuis longtemps, on tente de simuler les écoulements d'un rotor, avec difficulté en raison de la complexité et de la nature changeante des écoulements ainsi que des fortes interactions entre les vortex qui se séparent et les surfaces laminaires. Les chercheurs tentent de modéliser un champ simple d'écoulements instables en deux dimensions. Ils y sont parvenus en appliquant l'approche Chimère aux mouvements des pales.

L'élaboration de méthodes de calcul qui permettront de prévoir la nature des courants tourbillonnaires dans les écoulements aérodynamiques nous aide à mieux appréhender les turbulences. On pourra ensuite améliorer la stabilité et la commande des aéronefs, ou encore calculer les distances sécuritaires entre les appareils qui décollent et ceux qui atterrissent. Comme le soulignait M. Khalid, « il est capital de bien comprendre les turbulences et personne dans le monde n'y est vraiment parvenu. Pour l'instant, le phénomène nous échappe encore. C'est pourquoi on investit tant d'efforts dans le perfectionnement des modèles existants."