Thèse Réduction de Traînée d'Une Couche Limite Turbulente Supersonique avec du Contrôle Réactif H/F - 75

Établissement : Institut Polytechnique de Paris École polytechnique
École doctorale : Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris
Laboratoire de recherche : ONERA - Département Aérodynamique, Aéroélasticité, Acoustique
Direction de la thèse : Denis SIPP ORCID 0000000228083886
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-06-01T23:59:59La couche limite turbulente génère une friction pariétale importante, qui accroît la traînée des aéronefs. En régimes supersoniques et hypersoniques, elle s'accompagne également d'un échauffement intense, constituant un défi majeur pour la conception de nouveaux véhicules rapides. Réduire simultanément la friction et le flux thermique par des actions de contrôle est donc un enjeu essentiel.

Les stratégies historiques de réduction de friction en écoulement supersonique reposent principalement sur des techniques passives ou des actions actives prédéfinies. Ces approches restent cependant limitées en termes d'efficacité et de robustesse lorsque les conditions de vol évoluent. Les méthodes de contrôle réactif, reposant sur des mesures en temps réel, offrent un potentiel supérieur, mais les études existantes se sont majoritairement concentrées sur le retard à la transition vers la turbulence. Or, détecter les instabilités responsables de cette transition est difficile, car leurs amplitudes restent très faibles (moins de 1 % de l'écoulement amont), rendant leur identification délicate en laboratoire ou en vol.

Une alternative consiste à réduire la friction d'une couche limite déjà turbulente, dont les fluctuations sont beaucoup plus marquées. En écoulements incompressibles, plusieurs travaux ont montré qu'il est possible d'atténuer les structures turbulentes proches de la paroi - responsables de l'essentiel de la friction - grâce à des outils linéaires issus de la théorie du contrôle réactif. Ces approches exploitent le fait que les mécanismes d'auto-entretien des structures quasi-pariétales possèdent une forte composante linéaire. Toutefois, les études existantes reposent sur des stratégies de commande (inverse feedforward, contrôleur proportionnel-dérivé, LQG) loin d'être optimales sur le plan multicritère ou en termes de robustesse vis-à-vis des incertitudes.

Les méthodes modernes de synthèse multicritère et multi-objectifs, capables d'optimiser simultanément performance, robustesse et efficacité énergétique, apparaissent particulièrement prometteuses pour ce type d'écoulement complexe, mais n'ont pas encore été appliquées aux couches limites turbulentes supersoniques.

Cette thèse numérique vise à concevoir un contrôle en boucle fermée pour atténuer les structures turbulentes d'une couche limite turbulente supersonique, en vue de réduire la friction. L'approche repose sur un réseau de capteurs et d'actionneurs piloté par un contrôleur MIMO, conçu à l'aide de méthodes de synthèse avancées. La première étape consiste à identifier des capteurs pariétaux fournissant une information représentative des structures turbulentes ciblées. En parallèle, il s'agit de déterminer l'action la plus efficace pour les actionneurs, comme la génération de tourbillons longitudinaux capables de modifier la dynamique near-wall.

Une fois l'architecture capteur-actionneur établie, des modèles réduits de l'écoulement seront construits par des techniques data-driven afin d'élaborer les lois de commande. La thèse analysera ensuite l'efficacité énergétique, la robustesse aux variations de Re\_ et l'impact des actions de contrôle sur les structures turbulentes. Pour maintenir de bonnes performances lorsque Re\_ augmente - un régime où les grandes structures de la couche logarithmique influencent fortement la turbulence proche de la paroi - plusieurs boucles de contrôle ciblant différentes échelles (structures quasi-pariétales rapides et structures externes lentes de grande échelle) pourront être combinées.

Cette étude, à l'interface entre mécanique des fluides et théorie du contrôle, ambitionne ainsi de démontrer la faisabilité d'un contrôle réactif robuste pour réduire la friction en couche limite turbulente supersonique, ouvrant la voie à des applications sur les futurs véhicules à très grande vitesse.

Le projet s'inscrit dans le cadre de la modélisation basée données d'écoulements turbulents et de la mise en place de stratégies de contrôle avec des actionneurs et capteurs dont l'objectif est de diminuer la trainée turbulente. Pour cela, il faudra être capable de manipuler les structures turbulentes de grande échelle qui peuplent la partie externe de couche limite turbulente.