Des outils de calcul pour aider les moteurs d’aéronefs à hydrogène à évoluer vers un avenir plus vert
Le secteur de l’aviation représente plus de 2 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre et, en l’absence d’interventions significatives, ce niveau devrait presque quadrupler d’ici à 2050. Bien que les innovations dans le domaine de l’aviation électrique se multiplient, les limites de la densité énergétique des batteries et les coûts empêchent ces technologies d’atteindre la vitesse et les capacités de charge utile nécessaires aux vols long-courriers. Les futures technologies de propulsion utilisant l’hydrogène ont le potentiel d’accroître considérablement l’efficacité et les performances des turbines d’aéronefs traditionnelles. Contrairement aux moteurs conventionnels, qui reposent sur un processus de combustion à pression constante, les moteurs à combustion à gain de pression (CGP) basés sur l’hydrogène créent une augmentation de pression dans la chambre de combustion. Cette innovation améliore la consommation du carburant ainsi que les performances globales.
Utiliser l’hydrogène comme combustible énergétique
Entrepris avec le soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie (MSCA), le projet FLOWCID a proposé de développer des outils et des méthodes de calcul innovants pour relever les principaux défis des chambres de combustion et des turbines à gain de pression à émissions nulles. «Nous voulions relever deux défis critiques en matière de dynamique des fluides qui entravent les concepts de propulsion compacte: la séparation des flux causée par des gradients de pression élevés et les phénomènes de non-démarrage lorsque le flux d’air ne se déplace pas en douceur à travers la turbine, ce qui perturbe le fonctionnement du moteur», explique Eusebio Valero, chargé de recherche MSCA. Pour relever ces défis, FLOWCID a recouru à des simulations numériques avancées, à l’analyse mathématique et à la validation expérimentale. Son objectif était de comprendre et de contrôler la dynamique des flux dans les écoulements internes à grande vitesse, comme ceux qui se produisent dans les moteurs à gain de pression à base d’hydrogène.
Principales réalisations
Eusebio Valero et l’hôte de l’université Purdue, Guillermo Paniagua, ont réalisé d’importants progrès dans le développement de cette technologie. L’une des principales réalisations a été l’amélioration des modèles informatiques qui simulent le déplacement de l’air et des gaz dans des flux internes à grande vitesse. En affinant ces simulations, les chercheurs pourraient mieux prédire et comprendre comment les turbulences et les changements soudains dans l’écoulement de l’air, connus sous le nom d’à-coups, influencent les performances du moteur. Cette avancée permet d’assurer que les moteurs sont conçus pour gérer efficacement les conditions du monde réel. Le projet s’est également concentré sur la gestion des énormes quantités de données générées par ces simulations. En utilisant des méthodes innovantes, l’équipe a identifié des modèles clés dans le comportement de l’écoulement de l’air, en particulier autour des zones où se produisent des problèmes tels que la séparation des flux. «Ces résultats ont apporté de précieuses informations sur les causes profondes des inefficacités ainsi que des idées pour y remédier», souligne Eusebio Valero. Une autre réalisation clé a été l’étude de l’impact de petites modifications de la conception du moteur ou des conditions de fonctionnement sur l’écoulement de l’air. L’équipe a dès lors pu élaborer des stratégies d’amélioration des performances, telles que l’ajustement des formes du moteur ou l’utilisation de techniques comme l’injection d’air à des points spécifiques pour maintenir un flux régulier et efficace.
Impact sur l’aviation et au-delà
Les innovations du projet FLOWCID ont des implications environnementales et socio-économiques importantes. En affinant les outils de calcul de haut niveau et les solveurs de stabilité, le projet contribue à une analyse de calcul précise des futurs systèmes de propulsion, essentiels pour parvenir à une aviation sans émissions, réduire la dépendance aux combustibles fossiles et atténuer le changement climatique. Il est important de noter que les avancées du projet en matière de simulation et de méthodes de contrôle du flux dépassent le cadre de l’aviation. Fort de son succès, FLOWCID vise à établir une carte de sensibilité complète des caractéristiques physiques de l’écoulement qui influencent les comportements aérodynamiques complexes et à intégrer l’apprentissage automatique pour détecter et optimiser de nouvelles configurations aérodynamiques. «Nous sommes convaincus que nos efforts continus permettront d’améliorer encore le contrôle du flux et l’efficacité de la conception, afin de positionner les moteurs thermiques avancés à base d’hydrogène comme une alternative viable aux moteurs d’aéronefs traditionnels», conclut Eusebio Valero.
Mots‑clés
FLOWCID, moteurs à gain de pression, aviation, hydrogène, sans émissions, séparation des flux, non-démarrage
