Hélice avion CFD : la même hélice simulée en croisière et au point fixe

Une hélice d'avion vit deux vies, et la CFD les montre toutes les deux. En croisière, elle travaille dans un vent de 200 km/h qu'elle n'accélère que légèrement. Au décollage, freins serrés, elle doit aspirer un air immobile et le projeter derrière elle. Le concepteur Heliciel la dimensionne pour la croisière ; ce cas concret montre, avec le banc CFD (Computational Fluid Dynamics, simulation numérique de l'écoulement), ce qu'elle fait réellement dans les deux situations. Les images se suffisent presque à elles-mêmes.

Au point fixe, l'hélice aspire l'air de partout : les lignes de courant arrivent de côté, de l'arrière, s'enroulent, et ressortent en un jet concentré. Une image impossible à obtenir autrement qu'en CFD.

• Au sommaire :

1. L'hélice et ses deux points de fonctionnement
2. L'hélice d'avion en CFD en croisière : un écoulement presque uniforme
3. L'hélice d'avion en CFD au point fixe : l'aspiration et le jet
4. Les forces, comparées au concepteur
5. Ce que voit le calcul : le maillage de la pale
6. À retenir

1 : L'hélice et ses deux points de fonctionnement

Le concepteur Heliciel, par sa méthode des éléments de pale (BEM), annonce pour la même hélice : 1 186 N de traction en croisière pour 805 N·m de couple, et 1 105 N au point fixe pour 895 N·m. Presque la même traction, mais plus de couple à l'arrêt : la pale, dessinée pour la croisière, travaille à trop forte incidence quand l'avion n'avance pas.

2 : L'hélice d'avion en CFD en croisière : un écoulement presque uniforme

Le cas de croisière a été maillé au préréglage Level 5 (394 000 cellules, 21 minutes) et calculé en 1 min 51. Voici ce que montre le banc :

En croisière, les lignes de courant traversent l'hélice presque droites : l'avion avance à 56 m/s, l'hélice n'ajoute que quelques mètres par seconde. Les bords d'attaque sont en rouge (surpression), le reste des pales en vert-jaune.

Coupe verticale de la vitesse, vue de côté. L'orange uniforme, c'est le vent de 56 m/s qui remplit tout le domaine. La seule marque visible est le sillage du moyeu, en bleu-vert : l'air ralenti derrière le nez de l'hélice. Le jet des pales existe mais se noie dans le vent.

Vue de l'avant de l'avion. Le dos des pales est bleu, en dépression : c'est la face qui tire. Le nez du moyeu est rouge : l'air vient buter dessus à 56 m/s.

Vue de l'arrière. La face qui pousse est en vert-jaune, avec un liseré rouge le long du bord d'attaque. Peu de contraste : en croisière, la pale est peu chargée, comme il se doit.

3 : L'hélice d'avion en CFD au point fixe : l'aspiration et le jet

Même hélice, même régime, avion immobile. Le calcul a été mené au préréglage Level 3 (177 000 cellules, 10 minutes de maillage), avec cette fois les deux phases : l'hélice figée d'abord (1 min 18), puis l'hélice qui tourne réellement (18 minutes). Le point fixe est un écoulement difficile : rien ne vient de l'amont, tout est créé par l'hélice.

Coupe verticale de la vitesse au point fixe. Cette fois le champ est vert (air au repos) et l'hélice y creuse deux structures : un jet annulaire rouge à plus de 20 m/s derrière les pales, et au centre une large zone bleue d'air très lent, derrière le moyeu, que les pales ne mettent pas en mouvement. Le jet utile est un anneau, pas un cylindre plein.

Coupe perpendiculaire à l'arbre, juste derrière l'hélice, à un instant de la rotation réelle. On lit l'empreinte des sept pales : sept taches rouges d'air projeté, séparées par des zones plus lentes. Une image d'hélice qui tourne, pas d'hélice figée.

4 : Les forces, comparées au concepteur

Le panneau de résultats du cas de croisière : 792 N sur les pales, 630 N·m, 66 kW à l'arbre, rendement propulsif 0,67. Au-dessus, la référence du concepteur.

Le panneau du point fixe, après la première phase : 1 001 N sur les pales, 798 N·m, 83,5 kW à l'arbre. Le rendement propulsif vaut zéro, puisque l'avion n'avance pas. C'est la valeur de l'hélice figée : la traction à retenir au point fixe est celle de la seconde phase, plus bas.

Trois lectures utiles au bureau d'études :

• En croisière, la CFD trouve un tiers de traction en moins que le concepteur, comme sur l'hélice de bateau du cas précédent. Là aussi, l'écart se cherche d'abord du côté du maillage, qui doit être très fin pour décrire la couche limite de l'extrados, là où naissent l'aspiration et la portance ; la gêne entre pales, elle, est déjà prise en compte par la solidité dans la méthode des éléments de pale. Le rendement propulsif calculé par la CFD est de 0,67.
• Au point fixe, la puissance absorbée grimpe : 84 kW contre 66 en croisière, pour une traction qui ne monte pas. C'est le comportement attendu d'une hélice à pas fixe dessinée pour la croisière, et c'est pour cela qu'on lit la puissance moteur au décollage sur la courbe de couple, pas sur la traction.
• Au point fixe, il faut la seconde phase. L'hélice figée donne 1 001 N, l'hélice qui tourne 820 N en moyenne, avec une fluctuation de 60 N. Sans écoulement amont, la première phase peine à se stabiliser : le banc l'a signalé lui-même en fin de calcul. La valeur à retenir est celle de la rotation réelle.

La seconde phase donne aussi le rythme de l'hélice : 116,7 Hz de fréquence de passage des pales (7 pales à 16,7 tours par seconde), et cette fois la raie de passage domine le bruit large bande de 2,4 dB, alors qu'elle restait 12 dB en dessous sur l'hélice de bateau. Une hélice d'avion au point fixe est une machine bruyante, et le calcul le dit.

5 : Ce que voit le calcul : le maillage de la pale

Une case à cocher montre le maillage qui recouvre la pale. Il n'y a rien à régler, mais il est utile de le regarder une fois pour comprendre ce que « Level 5 » veut dire.

Le maillage de peau au préréglage Level 5, en gris : les cellules sont trop fines pour être distinguées une à une à cette échelle, et on ne voit qu'une texture granuleuse sur les pales et le moyeu. Le resserrement sur les bords d'attaque, les bords de fuite et le moyeu, là où l'air change vite de direction, est décidé par le préréglage mais ne se lit pas ici sans zoom.

6 : À retenir

• Deux régimes, deux écoulements : en croisière l'hélice perturbe à peine le vent, au point fixe elle fabrique tout l'écoulement, aspiration et jet compris. Les coupes de vitesse le montrent d'un coup d'œil.
• Le point fixe demande la rotation réelle. La première phase suffit en croisière ; à l'arrêt, c'est la seconde qui donne la valeur exploitable.
• La CFD est plus sévère que le concepteur sur cette hélice à sept pales larges : −33 % de traction en croisière. La puissance à l'arbre au décollage (84 kW) est la donnée qui dimensionne le moteur.
• Durées : 23 minutes pour le cas de croisière, une demi-heure pour le point fixe avec ses deux phases, sur un PC de bureau à 6 cœurs.

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Ces cas concrets accompagnent les didacticiels de conception Heliciel, qui traitent la partie BEM : conception de la pale, choix du régime, courbes de performance. Pour aller plus loin dans la méthode, la collection technique reste disponible.