Optimisation de l'hélice dans Plane-Maker

[kristo]

Bonjour,

Jusqu'à présent et sans chercher à savoir, j'optimisais l'hélice dans Plane-Maker, en me basant sur la vitesse vraie de croisière, augmentée arbitrairement de 10 ou 20%.

Pour que l'avion maintienne une vitesse, il lui faut vaincre toutes les résistances à l'avancement. La quantité d'air mise en mouvement par l'hélice, à une vitesse forcément plus grande que celle de l'avion, puisque cette masse d'air s'appuie sur l'air ambiant pour le propulser, doit être d'autant plus importante, ou rapide, que la traînée globale de l'avion est grande : le calcul de l'optimisation de l'hélice sans connaître la traînée globale de l'avion n'est donc pas possible.

Est-ce que vous êtes d'accord avec cette affirmation, et fait-elle le tour du problème, ou il y a encore d'autres paramètres à prendre en compte?

[arno54]

C'est un raccourci tellement raccourci que ça en devient faux. L'optimisation des hélices est une discipline qui remplirait des dizaines de volumes et qui d'ailleurs, IRL, n'est pas une science finie mais bel et bien empirique pour une bonne part : aujourd'hui, personne ne sait calculer à l'avance les performances d'une hélice, ça doit être confirmé et affiné au banc.

Jusqu'à présent et sans chercher à savoir, j'optimisais l'hélice dans Plane-Maker, en me basant sur la vitesse vraie de croisière, augmentée arbitrairement de 10 ou 20%.

De quelle valeur parles-tu?

La quantité d'air mise en mouvement par l'hélice, à une vitesse forcément plus grande que celle de l'avion

ben... non. Ce n'est vrai que à vitesse constante.

puisque cette masse d'air s'appuie sur l'air ambiant pour le propulser

Non plus... en fait l'essentiel (80%) de la force de traction vient de la dépression en amont du disque d'hélice, et pas de la quantité de mouvement induite. La quantité de mouvement joue un rôle propulsif, mais faible par rapport à la puissance totale dégagée. De ce point de vue, l'air déplacé par l'hélice ne "s'appuie" sur rien.

doit être d'autant plus importante, ou rapide, que la traînée globale de l'avion est grande : le calcul de l'optimisation de l'hélice sans connaître la traînée globale de l'avion n'est donc pas possible.

Oui et non. D'abord, l'hélice elle-même génère de la trainée, ensuite, la trainée de l'avion dépend à la fois de sa forme et de l'état de ses surface. Il en résulte que ce qui compte pour obtenir dans PM des perfs moteurs cohérentes avec la réalité, c'est d'obtenir avant tout des couples RPM*IAS conformes aux abaques, ce qui revient à dire que c'est le couple profil d'hélice+torsion qui va donner une solution empiriquement acceptable, couple dans lequel la trainée de l'avion n'intervient pas directement.

Pour faire simple, une fois la dimension du disque définie dans PM, ce qui compte c'est le choix du profil d'hélice en fonction des perfs attendues, puis le travail sur la torsion de l'hélice qui va donner la bonne enveloppe de perfs ; enfin, on joue sur la trainée globale pour affiner les perfs par rapport au résultat attendu.

Autrement dit, il n'existe aucun moyen d'anticiper sur les résultats, il faut faire des centaines d'essais-erreur-correction, valeur par valeur, pour obtenir le résultat attendu.

Est-ce que vous êtes d'accord avec cette affirmation, et fait-elle le tour du problème, ou il y a encore d'autres paramètres à prendre en compte?

90% du boulot dans PM porte sur les essais en torsion, c'est de loin le plus chronophage...

[kristo]

Cela m'arrangerait qu'il n'y ait rien à calculer, sauf si c'est simple

"Jusqu'à présent et sans chercher à savoir, j'optimisais l'hélice dans Plane-Maker, en me basant sur la vitesse vraie de croisière, augmentée arbitrairement de 10 ou 20%."

De quelle valeur parles-tu?

C'est la valeur de la vitesse de l'air à travers le disque de l'hélice, qui est la somme de la vitesse de l'avion et de celle de la masse d'air mise en mouvement par l'hélice, même si Plane-Maker parle de "demi-vitesse" du propwash, "propwash" que je traduis par "flux d'air brassé par l'hélice". Donc je prenais ma vitesse de croisière en vitesse vraie comme premier terme, et j'y ajoutais 10 ou 20% de cette vitesse, que je considérais comme le résultat de l'accélération de la masse d'air traversée par l'hélice

"La quantité d'air mise en mouvement par l'hélice, à une vitesse forcément plus grande que celle de l'avion"

ben... non. Ce n'est vrai que à vitesse constante.

la vitesse de croisière en air calme est une vitesse constante.

en fait l'essentiel (80%) de la force de traction vient de la dépression en amont du disque d'hélice, et pas de la quantité de mouvement induite. La quantité de mouvement joue un rôle propulsif, mais faible par rapport à la puissance totale dégagée. De ce point de vue, l'air déplacé par l'hélice ne "s'appuie" sur rien.

Oui, mais il n'y a pas d'autre support que l'air pour l'hélice, et si on aspire l'air devant l'hélice, on le refoule derrière, donc au final on a bien une masse d'air en mouvement, et il n'y a que le mouvement de cette masse d'air pour pouvoir déplacer l'avion, c'est une réaction de l'air au mouvement des pales...

(entre parenthèse parce que je viens seulement d'y penser, j'ai pas testé : donc le tout est de partir de la force de résistance à l'avancement, de dire qu'elle est égale à la force motrice nécessaire pour entretenir le mouvement; cette force nécessaire peut s'écrire f=ma, produit de la masse d'air par son accélération. On connait la force nécessaire (la trainée globale) et la masse d'air déplacée, donc on peut déduire l'accélération, et il ne reste plus qu'à en déduire la vitesse, je ai pas encore envisagé le problème sous cet angle là.)

Mais tu me dis qu'il n'y a pas que l'accélération de la masse d'air qui intervient, et je comprend ce que tu veux dire, j'ai pourtant l'impression que si. Au vocabulaire près, aurions nous deux méthodes qui aboutiraient au même résultat ?

[arno54]

Non non ce n'est pas juste une question de sémantique : tu te bases sur une logique IRL pour déterminer un résultat logiciel, et pour avoir trifouillé "quelques" hélices dans PM, je peux t'assurer que ça ne marche pas.

Par exemple, change ton profil d'hélice sans toucher à rien d'autre. Fait un essai avec un "very thin" et un autre essai avec un "high lift".

Que se passe t'il? plein gaz à l'arret, avec le very thin, l'hélice tourne beaucoup plus vite qu'avec le high lift. Normal, elle génère beaucoup moins de drag. Mais si tu laches les freins, que se passe t-il?

Avec le very thin, tu accèleres beaucoup moins qu'avec le high lift : normal, elle génére aussi beaucoup moins de portance (de traction dans ce cas) :


EDIT (j'oublie la moitié de mon argu!) : puisque l'hélice tourne plus vite et qu'elle a les même dimensions physiques, elle devrait "brasser plus d'air" et générer plus de traction, selon ton raisonnement... /EDIT


Mais : note la vitesse obtenue à un moment donné (par exemple, en arrivant juste au dessus du bout de piste) et reporte cette vitesse dans PM, puis remets le high-lift et recommence.

Là, tu vas voir un truc très bizarre : quand tu vas lâcher les freins (et que donc l'avion va avancer, ce qui va DIMINUER la charge aerodyn. sur l'hélice), tu vas voir tes rpm BAISSER, ce qui n'est tout simplement pas possible IRL. C'est simplement dû au fait que le profil d'hélice est prè-enregistré et que le calcul de performances ("prop-efficiency", visible dans les I/O) n'a absolument rien contre le fait d'avoir un propwash négatif... ce qui est évidemment absurde. (si on exclut des cas vraiment particuliers comme des fighters zoom&boom en piqué)

Du coup, il faut oublier le brassage de l'air IRL et dans PM, se concentrer sur la doublette profil/torsion, sans quoi tu vas tourner en rond en essayant d'obtenir les mêmes perfs dans le sim que dans la réalité, simplement parce que chaque profil défini a une plage d'AOA idéale, différente de l'un à l'autre, alors que XPLANE ne prend en compte que le coef de portance max et le "dérappage" de l'hélice dans l'air.

XPLANE ne calcule pas en temps réel la performance des profils, (donc des hélices) il calcule un résultat en fonction de données préétablies... Rien n'est parfait en ce bas monde (sinon j'aurais encore des cheveux et moins de bide)

[kristo]

OK, pas grand chose à redire là-dessus, j'ai moi aussi fait pas mal d'essais dans le passé en jouant sur le calage des éléments de pale, sans trouver de concordance entre mes résultats et ceux de X-Plane. Il doit me manquer quelques briques pour comprendre la modélisation de Mr Austin-M. et son équipe, et ce qu'on peut trouver sur le net en libre service ne compense apparemment pas des années d'études suivies. Je pense que je vais me baser sur l'optimisation "à l'essai", ce sera plus simple.

La discussion étant toujours ouverte, et c'est par plaisir, je chipote :

puisque l'hélice tourne plus vite et qu'elle a les même dimensions physiques, elle devrait "brasser plus d'air" et générer plus de traction

*le moteur peut ne pas tourner assez vite pour compenser la perte de portance par l'augmentation des rpm.
*le bout de pale peut se rapprocher du mur du son ou le dépasser et perdre son efficacité ou avoir un comportement aberrant.
fin du chipotage
(comment Austin gère-t-il un dépassement de vitesse du son sur une pale d'hélice ?)

...simplement parce que chaque profil défini a une plage d'AOA idéale, différente de l'un à l'autre, alors que XPLANE ne prend en compte que le coef de portance max et le "dérappage" de l'hélice dans l'air.

c'est effectivement une toute autre approche que ce à quoi je m'attendais, il faut que j'y réfléchisse. Quelle est la signification alors des angles calculés dans le cyle dump.txt pour les éléments de pale ?

propwash négatif = hélice frein^^ Insondables Mystères Austiniens.

Il faut que je prenne un peu de recul avec tout ça, pour l'instant j'ai retenu l'histoire profil/torsion comme un axe de recherches, si je décide de me replonger dans les calculs.

Toujours pas de méthode approchée pour régler les design RPM et design speed sans y passer des heures ?

[Daniel_L]

Quelques éléments à télécharger qui peuvent peut-être aider :
Propeller Calculator (Excel)
Propeller Design Package

Je précise que je n'ai pas encore eu le temps de regarder dedans. Je ne peux donc pas donner mon avis.

Daniel

[kristo]

Merci Daniel pour les liens, je teste dès que j'ai retrouvé mes mots de passe (il y a longtemps que je n'ai pas fait un tour sur le site d'outre-atlantique, ils parlent souvent anglais, là-bas).

Arno, j'ai publié trop tôt ma réponse, et je ne comprend toujours pas, ou au moins je reformule ce que nous avons dit.

Si l'air déplacé n'est pas responsable de la totalité du mouvement de l'avion, d'où vient le reste de la force motrice ? Si j'ai bien compris, la force motrice totale serait pour une bonne part la portance générée par l'hélice et pour une moindre part, le déplacement d'air généré par la dite hélice. Est-ce que tu voulais dire qu'à ces vitesses l'air devient plus difficilement compressible, ce qui permet à l'hélice de se visser dans l'air, sans communiquer à la masse d'air déplacée, une énergie significative ? Le principe d'action-réaction devrait pourtant s'appliquer ?

Je reviens sur notre histoire de point de vue : tu utilise les détails du système propulsif (trainée, portance, calage, ...) alors que je prend le problème comme un mobile à mouvoir, qui n'a que l'air ambiant à sa disposition pour avancer. Il avance en accélérant une veine d'air du diamètre de l'hélice : donc la totalité du déplacement vient de l'air mis en mouvement. Les deux approches devraient pouvoir se rencontrer, et ce serait au niveau de la modélisation informatique qu'elles ne se rencontrent pas ?

(oui je sais je n'ai qu'à le tenter mais je ne l'ai pas encore tenté ) pourtant, déterminer la vitesse de la veine d'air nous donnerait le propwash dont a besoin Plane-Maker, sans avoir à considérer, à priori, les caractéristiques de l'hélice. Car nous ne sommes pas dans le calcul de l'hélice mais dans le constat qu'à l'instant t l'air passe dans l'hélice avec une vitesse v, à charge pour Plane-Maker ou X-Plane de calculer l'hélice correspondante.

[arno54]

>>>Si l'air déplacé n'est pas responsable de la totalité du mouvement de l'avion, d'où vient le reste de la force motrice ?

L'air déplacé n'est responsable que d'une toute petite partie de la propulsion (grosso-merdo 20% max)
L'essentiel de la puissance vers l'avant vient de la dépression crée en amont du disque, l'air étant incompressible, le disque d'hélice adopte peu ou prou le comportement d'une paroi pleine, qui subit donc une force vers la dépression. Note que le VOLUME d'air brassé n'intervient pas, c'est la différence de pression joue. D'ou l'importance du choix de profil.



>>>Si j'ai bien compris, la force motrice totale serait pour une bonne part la portance générée par l'hélice et pour une moindre part, le déplacement d'air généré par la dite hélice. Est-ce que tu voulais dire qu'à ces vitesses l'air devient plus difficilement compressible, ce qui permet à l'hélice de se visser dans l'air, sans communiquer à la masse d'air déplacée, une énergie significative ? Le principe d'action-réaction devrait pourtant s'appliquer ?


C'est exactement ça. Le principe de réaction s'applique effectivement : ce sont les 20% résiduels d'énergie dégagée. Nettement plus dans le cas d'une hélice animée par un turboprop.



>>>Je reviens sur notre histoire de point de vue : tu utilise les détails du système propulsif (trainée, portance, calage, ...) alors que je prend le problème comme un mobile à mouvoir, qui n'a que l'air ambiant à sa disposition pour avancer.

Encore une fois : parce que PM ne calcule pas la réalité des choses en temps réel. De toute façon, aujourd'hui, personne ne sait le faire. PM restitue un comportement vraisemblable en fonction de données préétablies (comme les performances de l'hélice codées dans les *.afl) mais ce n'est pas un générateur de perfs profilaire. D'ailleurs Austin annonce la couleur : "Propwash is found by looking at the area of each propeller disk, and the thrust of each propeller. Using local air density, X-Plane determines the propwash required for momentum to be conserved." Il n'y a donc bien que la géométrie du disque et la puissance totale prise en compte, c'est collé sur une abaque qui prends dans un sens la viscosité de l'air, dans l'autre sens les perfs du profil d'hélice, et c'est tout.



>>> Il avance en accélérant une veine d'air du diamètre de l'hélice : donc la totalité du déplacement vient de l'air mis en mouvement. Les deux approches devraient pouvoir se rencontrer, et ce serait au niveau de la modélisation informatique qu'elles ne se rencontrent pas ?

D'abord : IRL, l'avion n'avance pas en mettant de l'air en mouvement, mais en créant une dépression devant lui. Si on avait une hélice canalisée rejetant l'air à 90° de l'axe de l'avion, l'avion avancerait quand même ! En subissant une force à 90° équivallent en gros à 20% de la puissance totale (NB : C'est d'ailleurs le principe des VSTOL à volets soufflés)

Ensuite : Même compte-tenu de cette correction conceptuelle, oui, IRL et PM ne se rencontrent pas. Dans XP, tu peux parfaitement avoir une hélice de 2mètres de diamètre tournant à 10000rpm avec un moteur de 3hp, ça ne perturbera pas le calculateur !


>>>(oui je sais je n'ai qu'à le tenter mais je ne l'ai pas encore tenté ) pourtant, déterminer la vitesse de la veine d'air nous donnerait le propwash dont a besoin Plane-Maker, sans avoir à considérer, à priori, les caractéristiques de l'hélice. Car nous ne sommes pas dans le calcul de l'hélice mais dans le constat qu'à l'instant t l'air passe dans l'hélice avec une vitesse v, à charge pour Plane-Maker ou X-Plane de calculer l'hélice correspondante.


Justement pas, PM prends la valeur que tu lui donnes pour argent comptant... et point barre ! Si tu mets une valeur de disons 1kt max en propwash, ton hélice va ralentir indéfiniment au fur et à mesure que ton avion accèlère. Il faut abandonner l'idée que PM calcule ton hélice en fonction de ses données physiques : il ne fait que décrire l'hélice que tu lui donnes. Le bon sens ou la physique aéro n'entrent pas en ligne de compte, c'est juste fait pour faire "comme si" : en somme, c'est un...simulateur... :-D

[andertal]

Aller, mon petit grain de sable dans tout ça
le calcule du fonctionnement des hélices, ce fait de la même façon que celui de la portance des ailes... à ceci près que les hélices tournent et forment un disque. Et pour simplifier le calcule sur ce disque, on le réduit à 4 points "idéalement" répartis pour en déduire le reste. Bon dans la déduction qu'il en fait, il fait d'autres raccourcis encore et il y intègre d'autres variable aussi... rendant le tout encore moins prédictif ;)

andertal

[kristo]

Je provoque : "oui, mais créer une dépression, c'est mettre de l'air en mouvement" (j'avais prévenu )

Pas de souci, je peux suivre ce qui est expliqué, c'est juste que j'ai du mal à imaginer que la transmission de la force motrice ne se fait qu'à 20% par accélération de l'air, les 80% restant étant dû à la portance, portance que je prenais, dans le cas particulier de l'hélice, pour unique résultat de l'accélération d'une masse d'air. Il faut que je laisse reposer tout ça, ce n'est qu'une question de culture à acquérir ou consolider.

Ce que je retiens de cette discussion c'est qu'il vaut mieux connaître le fonctionnement du simulateur pour espérer approcher le réel, plutôt que de partir du réel en espérant que le simulateur suivra les données qu'on lui fournit.

Si je tiens absolument à estimer mon propwash pour une hélice classique mue par un moteur à piston, histoire d'avoir un point de départ plausible avant essais, il faut que je prenne en compte pour ce calcul, 20% de la traînée de l'appareil à la vitesse de vol, ou je suis encore dans l'élucubration, dans un domaine déjà très "élucubré" ?

(andertal : petit grain de sel, pas de sable, le sable grippe une mécanique alors que le sel ajoute de la saveur...)

[arno54]

Je provoque : "oui, mais créer une dépression, c'est mettre de l'air en mouvement" (j'avais prévenu )

Ferme la bouche, pince toi le nez, essaye d'inspirer... L'air dans tes poumons est en dépression et néanmoins immobile ;-)

Ce que je retiens de cette discussion c'est qu'il vaut mieux connaître le fonctionnement du simulateur pour espérer approcher le réel, plutôt que de partir du réel en espérant que le simulateur suivra les données qu'on lui fournit.

C'est exactement mon point. Le but c'est d'obtenir du simulateur qu'il simule, pas qu'il reproduise...

Si je tiens absolument à estimer mon propwash pour une hélice classique mue par un moteur à piston, histoire d'avoir un point de départ plausible avant essais, il faut que je prenne en compte pour ce calcul, 20% de la traînée de l'appareil à la vitesse de vol, ou je suis encore dans l'élucubration, dans un domaine déjà très "élucubré" ?

Je ne suis pas sûr qu'il y ait une réponse absolue à ça. Personnellement (mais ça n'engage que moi), je commence avec une valeur très basse (par habitude, la vitesse de décrochage), parce que je sais qu'il me faudra faire de très nombreux essais en couvrant toute la plage possible pour obtenir exactement ce que je veux. Certains font Vmax X1.5, comme dit dans la doc, certains font sûrement autrement... Cette partie du réglage du modèle de vol est de loin la plus longue, parce qu'elle doit se faire complètement à tâtons. Ca fait partie du plaisir (ça dépend des jours en fait!)

[andertal]

Bon alors un peu de piment cette foi(s, x, e ?) ci...
comment ton avion tient il en l'aire ? ou plutôt quelles sont les principes qui font font que l'aile permette à l'avion de voler?
maintenant appliques ces même principe à ton hélice ;o) regarde le vent relatif (entre progression de l'avion vers l'avant et rotation de l'hélice) et l'angle d'attaque des "morceaux" de l'hélice. Et dit toi bien que c'est un peu comme si tu observais des "morceaux" d'ailes dans ces conditions.....
de la même façon que l'aile n'est pas porter par la masse d'air, mais bien "aspirée" par la dépression créée au dessus de celle-ci, l'hélice est aspirée par la dépression créée devant l'hélice (oui devant a cause du vent relatif ;o))

andertal

[kristo]

Un peu de piment, oui mais pas trop, juste de quoi ouvrir la bouche, afin de pouvoir mettre en mouvement une masse d'air pour respirer (qu'est-ce que vous me faites pas faire !

J'ai vu un certain Mr Oswalds courant après son (ou ses ?) coefficient(s), j'ai cru aussi discerner un phénomène difficilement estimable de tourbillons d'extrémité de pale, d'un régime tourbillonnaire du flux aux conséquences que je ne saurais chiffrer, et sans doutes d'autres joyeusetés qui font que ce n'est pas pour tout de suite que je me plongerais dans le détail d'une hélice pour en déduire la valeur du propwash. J'avais cru lire quelque part, je ne sais plus où, que créer une force de traction revient à accélérer un débit massique de fluide.

Ce que j'envisage est simplement une série d'essais avec des couples "design speed" - "design rpm", en faisant varier le "design rpm" et en notant les vitesses atteintes et les régime moteur associés. A moins que je laisse reposer, pour y revenir plus tard.

Au plaisir de vous relire, j'aurais d'autres questions dans le même genre, dans pas longtemps ;)

[kristo]

Re-bonjour tous,

J'ai laissé tombé la théorie, le réel, et son application dans x-plane, pour me lancer dans les tests : j'ai donc fait trois séries de mesures, avec des couples design speed - design RPM tels que je puisse afficher la même vitesse de rotation d'hélice pour la même vitesse de vol. (Le choix de la vitesse de vol et de rotation du moteur vient de specs techniques que je désirerais respecter)

Comme il fallait s'y attendre, la même vitesse de vol avec une hélice à pas fixe, tournant à la même vitesse donnée sur un avion identique, donnera les mêmes résultats pour les trois essais. Quel est l'utilité de choisir le "bon" couple design speed - design RPM ?



Cette question pour simple avis, rechercher tout seul dans son coin avec son ami google ne remplace pas une discussion directe, il ne s'agit pas de se "reposer" sur le travail des autres.

[arno54]

Parce que dans le cas spécifique d'une hélice à pas fixe, ce qui compte c'est tes régimes différenciés selon les attitudes ! Puisque par définition, pour une hélice à pas fixe..le pas est... FIXE.

Refais exactement la même chose (tout pareil, ne change rien)
MAIS
En ne te basant pas sur les RPM affichés mais sur ta vitesse indiquée en montée. Si ton avion est sensé grimper à 120kt / 2200rpm / 700ft, Repère toi uniquement à ta pente (120kt à 700ft/mn) et là, tu vas voir que pour tenir cette pente, tu auras besoin de rpm et de puissance affichée très différents selon tes couples de torsion ;-)

EDIT : autrement dit, sur une hélice en bois, le couple design speed/design rpm Te permet de régler la page optimum de l'hélice : pente max ou vitesse max etc...