Hélice drone CFD : six minutes de simulation pour une hélice de 5 pouces en vol stationnaire

Une hélice de drone en CFD est une petite machine qui tourne très vite : 127 mm de diamètre, 25 000 tr/min, un bout de pale à la moitié de la vitesse du son. Elle travaille en vol stationnaire, c'est-à-dire dans un air immobile qu'elle doit aspirer et projeter vers le bas. Ce cas concret a été créé et calculé de bout en bout pendant la rédaction de cette page, à partir du modèle de drone livré avec Heliciel : six minutes entre le chargement du modèle et le résultat de la rotation réelle. C'est le cas le plus rapide de la collection, et il montre que la CFD (Computational Fluid Dynamics, simulation numérique de l'écoulement) n'est pas réservée aux grandes machines.

L'hélice tripale vue en perspective, pression sur les pales et lignes de courant. Le rouge des bords d'attaque et des bouts de pale marque la surpression ; les lignes de courant, colorées par la vitesse, convergent de tout l'espace vers le disque du rotor.

• Au sommaire :

1. La machine, du concepteur au banc
2. Simulation CFD de l'hélice de drone : six minutes, deux phases
3. Le jet sous le rotor
4. Poussée, couple, puissance : ce que dit la CFD de l'hélice de drone
5. Le sifflement : 1 250 Hz
6. À retenir

1 : La machine, du concepteur au banc

Le concepteur Heliciel avec le modèle de drone chargé : la géométrie de la pale à gauche, les résultats du calcul classique en bas. Le menu PRO CFD envoie cette hélice au banc telle quelle.

L'hélice vue du dessus, côté où elle aspire l'air. Le dos des pales est en dépression, du jaune au bleu vers les bouts de pale, là où la vitesse est la plus grande. C'est cette face qui fabrique l'essentiel de la poussée.

L'hélice vue du dessous, côté où elle pousse l'air. Toute la face est en surpression, orange à rouge sur les bords d'attaque.

En vol stationnaire, le rendement propulsif n'a pas de sens (l'hélice n'avance pas) : le concepteur donne à sa place le chiffre de mérite, qui compare la poussée obtenue à la puissance dépensée. 0,81 est une bonne valeur pour une hélice de cette taille.

2 : Simulation CFD de l'hélice de drone : six minutes, deux phases

Rien n'a été réglé : le préréglage de maillage, puis les deux cases qui enchaînent le calcul après le maillage et la seconde phase après la première. La petite taille de l'hélice ne change rien au nombre de cellules : le banc adapte le domaine à la machine. Ce qui change, c'est le pas de temps de la rotation réelle, neuf millionièmes de seconde, imposé par les 416 tours par seconde : 5 160 pas pour moins d'un tour. Le banc l'a réglé seul.

3 : Le jet sous le rotor

Coupe verticale de la vitesse, l'hélice vue de côté, axe horizontal sur l'image (en vol, ce jet est dirigé vers le bas). À droite, l'air ambiant au repos (bleu) est aspiré et accélère en approchant du rotor (vert, jaune) ; à gauche, le jet rouge sort à plus de 20 m/s, avec un cœur plus lent dans l'ombre du moyeu. Le jet reste concentré sur plusieurs diamètres.

La même vitesse dans un plan perpendiculaire à l'axe, juste derrière l'hélice : le disque du jet, en orange, découpé en trois secteurs par l'empreinte des pales. Autour, l'air au repos.

Le concepteur avait prévu une vitesse moyenne du jet de 31 m/s ; la coupe montre un jet un peu moins rapide et surtout non uniforme : rapide sous les pales, lent sous le moyeu. C'est exactement l'information dont a besoin celui qui place un capteur, une antenne ou un bras de drone sous l'hélice.

4 : Poussée, couple, puissance : ce que dit la CFD de l'hélice de drone

Le panneau de résultats après la première phase : 4,88 N de poussée sur les pales, 0,059 N·m de couple. La référence du concepteur est rappelée au-dessus.

Les deux phases sont d'accord entre elles, et toutes deux trouvent 30 % de poussée en moins que le concepteur pour 10 % de couple en plus. Pour le constructeur de drone, la lecture est directe : la portance disponible par moteur est plutôt de 500 g que de 716 g, et le moteur consomme un peu plus que prévu. Le banc signale lui-même la cause probable dans ses alertes : sur une pale de 19 mm de corde, « une partie laminaire est probable sur l'avant du profil », que le modèle de turbulence utilisé ne représente pas. Une hélice de drone est une petite machine à bas nombre de Reynolds, et c'est le domaine où les deux méthodes s'accordent le moins bien ; l'essai au banc reste le juge de paix, et la CFD dit de quel côté se placer.

5 : Le sifflement : 1 250 Hz

La rotation réelle donne la fréquence de passage des pales : 3 pales à 416,7 tours par seconde, soit 1 250 Hz, un sifflement aigu, avec ses harmoniques à 2 500, 3 750 Hz et au-delà. Le banc mesure la fluctuation de la poussée à cette fréquence : 0,38 N d'amplitude efficace sur 4,9 N, soit 8 % de la poussée qui pulse. Une petite hélice rapide et peu chargée est une machine qui vibre plus que les grandes. La raie de passage reste ici 6,6 dB sous le bruit large bande : le sifflement pur n'est pas dominant, c'est le souffle qui l'emporte.

6 : À retenir

• Six minutes du modèle au résultat de la rotation réelle : la CFD d'une petite hélice se fait entre deux essais au banc.
• −30 % de poussée, +10 % de couple par rapport au concepteur, confirmés par les deux phases : compter 500 g par moteur plutôt que 716.
• Le jet n'est pas uniforme : rapide sous les pales, lent sous le moyeu. À regarder avant de placer quoi que ce soit sous l'hélice.
• 1 250 Hz et 8 % de poussée qui pulse : la CFD donne la fréquence et l'amplitude à comparer entre deux hélices candidates.

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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.