Mots-clés
Instabilités, flutter (flottement), interaction fluide-structure, nouvelle procédure expérimentale, simulation multi-physique
Contexte
La chaire industrielle DyVA cofinancée par l’ANR et le groupe SAFRAN, a pour objectif de répondre aux enjeux environnementaux concernant le secteur de l’aéronautique impliquant une réduction drastique de ses émissions de CO2 à moyen et long terme avec un objectif de bas carbone en 2035 et de neutralité à l’échéance de 2050. Ainsi sur des programmes technologiques comme le RISE, lancé par SAFRAN, il sera nécessaire d’être en capacité d’analyser avec précision les nouveaux points de fonctionnement obtenus et leurs impacts sur la dynamique du moteur et la durée de vie. En effet, ce projet adresse
un grand nombre de technologies en rupture vis-à-vis des architectures conventionnelles telles qu’un open-fan, un open-OGV et une turbine et un booster rapides.
Le projet DyVA s’inscrit donc pleinement dans ce contexte et ambitionne d’élaborer les outils numériques avancés à même de répondre à l’enjeu de prédiction vibratoire des nouvelles motorisations aéronautiques. Les développements envisagés se concentreront sur la simulation et la modélisation du comportement dynamique non-linéaire et des incertitudes afin d’offrir une connaissance approfondie de la dynamique sous-jacente du système et d’en maîtriser la physique, la simulation et l’ensemble des différents points de fonctionnement possibles. Ces résultats seront mis en corrélation avec des essais expérimentaux fournissant ainsi des mesures souvent peu présentes dans la littérature bien qu’indispensables pour une bonne compréhension de la physique.
Travaux
Valider des prédictions de réponses dynamiques par des essais implique que les chargements appliqués soient bien maîtrisés. Les essais sous flux d’air nécessitent des investissements importants, typiquement dans des souffleries, et peuvent inclure des séquences potentiellement destructives, avec du flutter par exemple. Dans DyVA, de nombreux essais seront faits sous vide, pour se concentrer sur les aspects structurels : une approche innovante consistera à remplacer les charges aérodynamiques par des chargements piezo-électriques, de manière à mimer le flottement, les sillages, l’ingestion de vortex ou le vent de travers. Ainsi, un
moyen d’excitation économique, versatile et sûr sera disponible. De telles stratégies d’excitation existent pour générer des
vibrations forcées de structures à symétrie cyclique à l’arrêt [1]. Concernant les conditions d’essais instables, divergentes,
très peu d’essais ont été faits, et sur des structures simples et hors rotation [2]. Cette thèse vise à aller plus loin dans le réalisme
des excitations, en particulier sous conditions instables, l’accent étant mis sur la modélisation du flutter.
L’interaction fluide-structure sera simulée par une loi de comportement couplant les patches piézoélectriques et la structure. L’objectif est de proposer une solution d’excitation hardware-friendly pour tester la réponse forcée vibratoire de structures industrielles dans d’autres workpackages de DyVA. En effet, le bénéfice de la stratégie proposée ici sera d’autant plus grand lors d’essais de dispositifs d’amortissement nécessitant une centrifugation pour fonctionner (liaisons par pied de sapin, anneaux de friction, amortisseurs sous plateforme), pour certains déjà étudiés expérimentalement au LTDS.
Une activité numérique multi-physique est requise, basée sur une loi de contrôle qui mime, via l’excitation piézo-électrique, des
chargements aéro typiques du flutter. La procédure exploitera des lois simplifiées au niveau aérodynamique, utilisant des termes
de couplages inter-aubes, ainsi que des approches par machine learning basées sur des données CFD et vibratoires, incluant les
aspects de pilotage et de contrôle. Les lois d’excitation seront construites selon une stratégie “hardware-in-the-loop”, réglées pour
atteindre le niveau de fidélité désiré.
Profil
• Formation d’ingénieur ou master en mécanique des solides et des matériaux
• Goût pour la recherche, les techniques d’analyse de pointe et la modélisation
• Programmation informatique, traitement et analyse de données
• Rigueur et capacité à s’investir pleinement dans un sujet
• Aptitude au travail en équipe. La maîtrise de l’anglais est indispensable
Notre offre
• CDD de 3 ans à temps plein, 2034 € mensuels nets
• L’environnement académique et industriel de la chaire ANR-Safran DyVA
Votre futur cadre de travail
La thèse se déroulera principalement à l’ÉcoleCentrale de Lyon (ECL). L’encadrement sera asuré par Fabrice THOUVEREZ (Professeur ECL), Laurent BLANC (Maître de Conférences, ECL), Kévin BILLON (Ingénieur de Recherche, ECL) et Cécile ESTEVES (Ingénieur, SAFRAN)
Comment candidater
Pièces à envoyer à fabrice.thouverez@ec-lyon.fr :
• CV détaillé, relevés de notes des trois dernières années et classement dans la promotion
• Lettre de motivation + deux lettres de recommandation
Références
[1] B. Mokrani et al., « Parallel piezoelectric shunt damping of rotationally periodic structures », Adv. Mater. Sci. Eng., vol. 2015, 2015.
[2] S. Schwarz etal, « Friction Saturated Limit Cycle Oscillations—Test Rig Design and Validation of Numerical Prediction Methods », J. Eng. Gas Turbines Power, vol.
146, no 5, 2024.
[3] D. Charleux etal, « Numerical and experimental study of friction damping blade attachments of rotating bladed disks », Int. J. Rotating Mach., vol. 2006, 2006.
Keywords
Instability, flutter, FSI, new experimental procedure, numerical model, multi-physics simulation
Context
The DyVA industrial chair, co-financed by the ANR (French National Research Agency) and the SAFRAN Group, aims to meet the
environmental challenges facing the aeronautics sector, involving a drastic reduction in CO2 emissions over the medium
and long term, with a target of low-carbon by 2035 and carbon neutrality by 2050.
Technological programs such as RISE, launched by SAFRAN, will need to accurately analyse new operating points and their impact on engine dynamics and service life. Indeed, this project addresses a large number of technologies that break with conventional architectures, such as open-fan, open-OGV and fast turbine and booster.
DyVA aims to develop advanced numerical tools capable of meeting the challenge of vibration prediction for new aeronautical
engines. The planned developments will focus on the simulation and modelling of non-linear dynamic behaviour and uncertainties, in order to provide in-depth knowledge of the underlying dynamics of the system and master its physics, simulation and all the different possible operating points. These results will be correlated with experimental tests, providing measurements that are often lacking in the literature, but are essential for a good understanding of the physics.
Your tasks
Dynamic response prediction validation by tests involves the best possible command of the load applied to it. Under flow experiments require considerable investments such as wind tunnels, and can include potentially destructive unstable aeroelastic forcing conditions such as flutter. In DyVA, many experiments will be performed under vacuum to focus on mechanical behaviour: an innovative approach will consist in replacing aerodynamic loads by an electromechanical load applied using piezoelectric patches, so as to mimic flutter, wakes, vortex ingestion or even crosswind thus providing a safe, versatile and economical tool for testing new technological solutions. Such excitation strategies exist to generate forced vibrations on cyclic symmetry structures at rest [1]. Concerning the use of unstable diverging conditions for mechanical characterization, vey few attempts have been made, and only on very simple static structures [2]. This PhD aims to go further in excitation realism, especially when unstable conditions arise, emphasis being placed here on mimicking flutter.
Fluid-structure interaction will be simulated through the constitutive law coupling the behaviour of piezoelectric patches and
structures. The objective is to propose a hardware-friendly excitation device to test the vibratory forced response of industrial
structures in other DyVA workpackages. Indeed, the benefit of the strategy proposed here is all the more effective when testing damping devices that require entrifugation to work, such as dovetail blade attachments, friction rings or under-platform dampers for which some studies have already been performed experimentally at LTDS [3].
A multi-physics numerical activity is required based on the formulation of a control-loop that mimics, through piezoelectric excitation, aerodynamic loadings focused on flutter. This process will exploit simplified aerodynamic effect using inter-blade coupling terms or machine-learning approach based on existing CFD aerodynamic data and vibratory experimental data, including piloting and control issues. Excitation laws will be built up as a « hardware in the loop » strategy, tuned to reach the desired level of fidelity.
Your profile
• Engineering degree or MSc in Mechanics, Solids and Materials Sciences.
• Taste for research, for state-of-the-art analysis and modelling techniques.
• Programming, data processing & analysis.
• Scientific rigour and ability to fully invest in the project.
• Aptitude for team work & excellent knowledge of English is essential.
Our offer
• 3-years full-time employment contract.
• 2034 € net monthly salary
• DyVA ANR-Safran chair industrial and academic environment.
Your future place of work
The PhD mainly takes place at École Centrale de Lyon (ECL). Supervisors are Fabrice THOUVEREZ (Professor, ECL), Laurent
BLANC (Assistant Professor, ECL), Kévin BILLON (Research Engineer, ECL) and Cécile ESTEVES (Engineer, SAFRAN)
How to Apply
Please email to fabrice.thouverez@ec-lyon.fr:
• Letter of motivation.
• Detailed CV.
• 2 letters of recommendation or reference.
• Transcript of your last 3 years records & class ranking.
Références
[1] B. Mokrani et al., « Parallel piezoelectric shunt damping of rotationally periodic structures », Adv. Mater. Sci. Eng., vol. 2015, 2015.
[2] S. Schwarz etal, « Friction Saturated Limit Cycle Oscillations—Test Rig Design and Validation of Numerical Prediction Methods », J. Eng. Gas Turbines Power, vol.
146, no 5, 2024.
[3] D. Charleux etal, « Numerical and experimental study of friction damping blade attachments of rotating bladed disks », Int. J. Rotating Mach., vol. 2006, 2006.
