Logiciel OpenVSP

Le logiciel « Open Vehicle Sketch Pad » (OpenVSP) est un outil qui permet de calculer les performances aérodynamiques d’un aéronef. Ce programme fut développé dans les années 1990 par la « National Aeronautics and Space Administration » (NASA). Disposant d’une interface visuelle, OpenVSP permet de dessiner rapidement diverses géométries comme une aile, un fuselage, des hélices, des cylindres (pour modéliser les moteurs), etc. Ces géométries peuvent être sélectionnées par défaut, et ensuite, chacune d’elle peut être modifiée à notre convenance. Les paramètres modifiables dépendent des géométries sélectionnées, puisque nous utiliserons seulement des géométries de fuselage et d’aile, nous détaillons ici seulement celle-ci :

2.3.1.1 Modélisation des différentes géométries 1) Géométrie d’aile

Par défaut, OpenVSP propose l’aile présentée en Figure 2.6. Cette aile dispose d’une seule section le long de la demi-envergure.

Figure 2.6 Aile proposée par défaut dans le logiciel OpenVSP

À cette géométrie par défaut, nous pouvons modifier tous les paramètres en commençant par le nombre de sections qui composeront l’aile. Chaque section pourra ensuite être paramétrée selon le besoin de conception avec un profil, un angle de flèche, un angle de torsion, un angle de dièdre, différentes longueurs de cordes, différentes envergures, etc. Chacun des paramètres modifiables pour une section d’aile est illustré en Figure 2.7.

Figure 2.7 Paramètres modifiables d'une section d’aile sur OpenVSP

2) Géométrie de fuselage

Le logiciel OpenVSP offre aussi une géométrie de fuselage par défaut; celle-ci est présentée en Figure 2.8. De la même manière que pour l’aile, le fuselage est défini à partir d’un nombre de sections entièrement modifiables, qui s’ajoutent ou qui se retirent.

Les formes de ces sections peuvent être circulaires, elliptiques, rectangle-arrondies, ou bien plus précises en fournissant directement les fichiers de chacun de ces formes. Si les sections sont circulaires, une seule donnée de rayon est à fournir pour chacune d’elles, si un autre type a été sélectionné (ellipse ou rectangle-arrondie), au moins deux longueurs sont à fournir : l’une en largeur et l’autre en hauteur. Ensuite, pour chacune des sections, les positions longitudinales et transversales (selon z) de chacune d’elles sont à indiquer dans le repère R (O, x, y, z) dont l’origine O sera classiquement choisie comme étant le bout du nez de

l’avion. L’ensemble des paramètres modifiables d’une géométrie de fuselage où des sections elliptiques sont utilisées, sont indiqué dans la Figure 2.9.

Figure 2.8 Fuselage proposé par défaut dans le logiciel OpenVSP

Enfin, chacune des géométries composants l’aéronef sont positionnées les unes par rapport aux autres à partir du repère R dont l’origine est placée au bout du nez de l’avion.

Figure 2.9 Paramètres modifiables du fuselage en utilisant le logiciel OpenVSP

2.3.1.2 Méthodes de calculs aérodynamiques

Une fois la géométrie précisée, les forces aérodynamiques peuvent être calculées dépendamment de l’angle d’attaque α, de l’angle de déviation β et du nombre de Mach.

Pour réaliser les calculs aérodynamiques, le logiciel propose deux méthodes de résolution, la « Vortex Lattice Method » (VLM) et la méthode des panneaux 3D (PANEL). Les paragraphes numérotés suivants visent à présenter les caractéristiques de chacune des méthodes. Notons de manière générale que les méthodes de VLM et 3D Panel utilisent des théories valides pour des faibles angles d’incidences (inférieur à 5 degrés).

1) Vortex Lattice Method (VLM)

Le principe de la VLM se base sur la théorie de la ligne portante de Prandtl pour laquelle la perturbation induite par l’aile de l’avion est modélisée par un seul tourbillon d’une certaine intensité. Grâce au progrès informatique ainsi qu’à la possibilité de réaliser de nombreux calculs dans un temps réduit, la VLM ne modélise plus l’aile avec un seul tourbillon mais avec un ensemble de tourbillons.

Figure 2.10 Aperçu de la géométrie prise en compte lors d’une simulation avec la méthode VLM

Pour effectuer le calcul, la surface de l’objet à analyser est d’abord simplifiée en étant projetée dans deux plans orthogonaux, l’un horizontal, l’autre vertical comme nous pouvons le constater sur la Figure 2.10. Ensuite, cette la géométrie projetée est divisée en « mailles rectangulaires » appelés panneaux, et pour chacun, l’intensité d’un tourbillon va être calculé. L’intensité des tourbillons est calculée à partir des conditions aux limites de type Neumann4_.

Par ce fait, le nombre de panneaux caractérise directement le temps de résolution. Au plus la géométrie est maillée « finement », avec beaucoup de panneaux, au plus le calcul sera lourd et long à effectuer. En conséquence, le nombre de panneaux doit être raisonnable.

2) Méthode des panneaux

Contrairement à la méthode VLM, la méthode des panneaux est plus complexe car moins d’approximations sont réalisées. Toutefois, les effets visqueux et rotationnels du fluide restent négligés.

Figure 2.11 Aperçu de la géométrie prise en compte lors d’une simulation avec la méthode 3D-Panel

La spécificité de cette méthode demeure dans le fait que la forme d’un fuselage et l’épaisseur de l’aile sont entièrement considérées comme nous pouvons l’observer, lors d’une simulation 3D-Panel sur OpenVSP en Figure 2.11. Ceci rend peut-être légèrement plus précis le calcul des forces aérodynamiques mais cette précision demande une durée de calcul environ deux fois plus importante que pour une résolution par le méthode VLM.

Depuis 2012, le logiciel OpenVSP est disponible en « Open Source » sous les accords NOSA (« NASA Open Source Agreement »), ce qui est un atout non négligeable. Ainsi, les codes de calculs sont disponibles pour le grand public, ce qui permet de pouvoir intégrer les modifications de ces codes dans un algorithme par exemple. L’ANNEXE II explique comment nous pouvons procéder à un calcul aérodynamique avec OpenVSP en n’écrivant depuis le logiciel Matlab seulement les fichiers de « géométrie » et « d’analyse » d’OpenVSP.