Ingénieur Recherche – Projet KIWIN - Développement d’un outil de simulation du vol d’un cerf-volant (Kite) pour la traction des navires F/H

Cette offre s’inscrit dans le cadre du lot « jumeau numérique » du projet KIWIN porté par l’entreprise Beyond the sea dont l’objectif principal est de développer un démonstrateur à l’échelle 1 d’un système de traction par kite entièrement automatisé pour parvenir à réduire de 20 % en moyenne les émissions de gaz à effet de serre du transport maritime. Cet outil permettra d’accélérer singulièrement le développement du système automatisé de traction par kite « SeaKite » déjà existant en développant des ailes de plus en plus grandes. Ce travail participera à l’amélioration des méthodes de dimensionnement du kite et à la définition des stratégies à mettre en place pour traiter les situations critiques de vol.

Au niveau de l’École de l’Air et de l’Espace, en complément de cette offre, deux thèses sont en cours qui traitent de la dynamique du vol et du calcul de la structure de l’aile. Ces travaux se font en étroite collaboration avec l’université de Montpellier où deux autres thèses sont également en cours. La première porte sur l’optimisation de trajectoire tandis que la seconde a pour objectif de produire une base de données expérimentale pour valider les outils de simulation réalisés.

Missions dans le projet

L’objectif de ce travail est de développer un simulateur de dynamique du vol du kite qui intègrera les effets de l’interaction fluide-structure. Le code doit servir notamment à la conception et à la mise au point du pilote automatique. Il servira également dans les premières étapes de conception à évaluer les performances aérodynamiques et comme outils de dimensionnement.

Ce travail s’inscrit également dans la continuité des travaux de Richard Leloup (2014), de Baptiste Cadalen (2018) et de Chloé Duport [1][2][3]. Deux simulateurs sont déjà utilisés. Le premier est fondé sur le modèle Zéro-masse [1] et le second sur un modèle de masse ponctuelle [2]. Le premier modèle ne dépend que des caractéristiques aérodynamiques du kite ou plus précisément il ne dépend que de l’angle de finesse. Cet angle dépend notamment de l’angle d’attaque du kite commandé par les lignes arrière. Il peut être également affecté par la déformée du kite. Les modèles actuels ne prennent pas en compte non plus « le ventre des lignes ». Le lien entre le différentiel des lignes arrière et le taux de rotation du kite en lacet est issu d’une loi empirique de la littérature [4].

Le premier outil développé permet de substituer cette relation empirique par une résolution temporelle des équations de la dynamique. L’influence de l’inertie du kite est ainsi prise en compte. Dans un premier temps le kite est considéré rigide [11] [12]. On bénéficie également des travaux de thèse de Théo Simonet (Novembre 2022) pour intégrer les effets aérodynamiques instationnaires avec un modèle de décrochage dynamique associé à la ligne portante 3D non linéaire [5]. Ces évolutions devraient permettre de simuler avec plus de fidélité les situations délicates comme celles dans un vent léger en bord et en bas de la fenêtre de vol. On modélisera également les situations de décrochage et de « frontale ».

En fonction de l’évolution de la thèse sur la structure du kite on pourra intégrer les déformations du kite et le ventre des lignes pour avoir un modèle plus fidèle.

Pour valider le jumeau numérique nous disposons déjà d’une base de données expérimentale conséquente avec les travaux de Morgan Behrel [6]. Néanmoins ces travaux se sont concentrés sur des phases de vol stables. La thèse expérimentale avec l’université de Montpellier permettra de fournir des éléments de validation dans les cas critiques : décrochage, vol en bord de fenêtre, instabilités liées au flambement structurel. Elle fournira également des mesures de déformation pour valider les codes numériques.

Bibliographie

[1]   Leloup, R., Roncin, K., Bles, G., Leroux, J. B., Jochum, C., & Parlier, Y. (2013). Estimation of the lift-to-drag ratio using the lifting line method: Application to a leading-edge inflatable kite. In Airborne wind energy (pp. 339-355). Springer, Berlin, Heidelberg.

[2]   Cadalen, B. (2018). Modélisation et commande robuste d'une aile de kite en vol dynamique : application à la traction d'un navire (Doctoral dissertation, Bordeaux).

[3]   Duport, C. (2018). Modeling with consideration of the fluid-structure interaction of the behavior under load of a kite for auxiliary traction of ships (Doctoral dissertation, ENSTA Bretagne-École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne).

[4]   Erhard, M., & Strauch, H. (2013). Theory and experimental validation of a simple comprehensible model of tethered kite dynamics used for controller design. In Airborne wind energy (pp. 141-165). Springer, Berlin, Heidelberg.

[5]   Faure, T. M., Roncin, K., Viaud, B., Simonet, T., & Daridon, L. (2022). Flapping wing propulsion: Comparison between discrete vortex method and other models. Physics of Fluids, 34(3), 034108.

[6]   Behrel, M. (2017). Les kites comme propulsion axillaire pour les navires : système expérimental, campagnes de mesures, analyse des données et identification des performances des kites (Doctoral dissertation, Université de Bretagne occidentale-Brest).

[7]   Behrel, M., Roncin, K., Leroux, J. B., Montel, F., Hascoet, R., Neme, A., ... & Parlier, Y. (2018). Application of phase averaging method for measuring kite performance: onshore results. Journal of Sailing Technology, 5.

[8]   Roncin, K., Behrel, M., Iachkine, P., & Leroux, J. B. (2020). Benchmark Sea Trials on a 6-Meter Boat Powered by Kite. Applied Sciences, 10(18), 6148.

[9]   Long, X., Sun, M., Piao, M., & Chen, Z. (2021). Parameterized Trajectory Optimization and Tracking Control of High Altitude Parafoil Generation. Energies, 14(22), 7460.

[10]  Zempoalteca-Jimenez, M. A., Castro-Linares, R., & Alvarez-Gallegos, J. (2021). Trajectory Tracking Flight Control of a Tethered Kite Using a Passive Sliding Mode Approach. IEEE Latin America Transactions, 20(1), 133-140.

[11]  Roeven, L., Gutschmidt, S., Dawson, R., & Alexander, K. (2022). Steering response to roll control of a two-line disk kite. International Journal of Non-Linear Mechanics, 103939.

[12]  Hein, F., Wiedenroth, R., Notter, S., & Fichter, W. (2022). Flight Mechanical Analysis and Nonlinear Controller Design for a 4-Line Kite. In AIAA SCITECH 2022 Forum (p. 1229).

[13] Gupta, R., Zhu, Y., & Nam, T. (2021). Flight Dynamics, Control Law Design, and Flight Tests of Kite. In AIAA AVIATION 2021 FORUM (p. 2462).