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Analyse théorique et contrôle des instationnarités dans un écoulement de culot en régime compressible.
Cette thèse est une contribution à l'étude de la dynamique et du contrôle des oscillations grande-échelle qui se développent en régime subsonique dans le sillage d'un corps de révolution modélisant le corps central d'un lanceur. Pour plusieurs configurations (disque, sphère, culot franc), la transition stationnaire/instationnaire est caractérisée par une étude de stabilité de l'écoulement axisymétrique à faible nombre de Reynolds. On montre tout d'abord que les oscillations sont liées à une instabilité absolue du sillage proche. On utilise ensuite une approche globale de la stabilité, mieux adaptée aux écoulements non parallèles. Une unique séquence de bifurcation est mise en évidence pour cette classe d'écoulements, impliquant un mode stationnaire et un mode oscillant à basse fréquence. Une analyse basée sur la théorie des formes normales montre qu'au seuil d'apparition des instationnarités, la fréquence et l'organisation spatiale de l'écoulement sont fixées par l'interaction non linéaire de ces modes. On montre également qu'augmenter la compressibilité affaiblit la production des perturbations et augmente leur transport, ce qui induit une stabilisation de l'écoulement. Une analyse de sensibilité des valeurs propres à un forçage stationnaire permet ensuite de développer une approche systématique du contrôle en boucle ouverte en régime compressible. Cette approche est appliquée au culot franc, ce qui constitue un premier pas dans la perspective d'un contrôle de l'écoulement en configuration industrielle. Diverses méthodes ont été analysées, notamment l'introduction d'un! corps secondaire, un dépôt d'énergie ou un! souffla ge au culot («base bleed»).

2008-11-18
Science des matériaux, mécanique, génie mécanique
Ecole Polytechnique
Ecoulements compressibles – Sillage axisymétrique – Instabilité convective – Absolue – Stabilité globale – Formes normales – Méthodes adjointes – Analyse de sensibilité – Contrôle en boucle ouverte
A theoretical approach for the onset and control of unsteadiness in compressible afterbody flows.
This thesis is a contribution to the study of the dynamics and control of large-scale oscillations that develop in the subsonic regime in the lee of bodies of revolution modeling the first stage of a launcher. For several configurations (disk, sphere, axisymmetric blunt base), the steady/unsteady transition is characterized b means of a stability analysis of the axisymmetric flow at low Reynolds numbers. We first show that the existence of such oscillations is intimately connected to a local transition to absolute instability in the nearwake. The subsequent results rely on a global approach of stability, better suited to nonparallel flows. The class of flows under consideration exhibits a single sequence of bifurcation, involving a stationary mode and a low-frequency oscillating mode. An analysis based on the normal form theory shows that the sharp frequency and spatial pattern selection exhibited by t! he flow at the onset of unsteadiness depend on the leading-order nonlinear interaction of the leading eigenmodes. We also demonstrate that an increase in the compressibility weakens the production of perturbations and enhances their downstream advection, both effects being stabilizing. A sensitivity of eigenvalues to a steady forcing finally allows to develop a systematic approach of open-loop control in compressible flows. This approach has been applied to the blunt base, an investigation which stands as a step towards the full control of afterbody flow unsteadiness. Various methods are considered, including additional control devices, heat sources, and fluid blowing through the base («base bleed»).
Compressible flows – Axisymmetric wakes – Convective – Absolute instability – Global stability – Normal forms – Adjoint methods – Sensitivity analysis – Open-loop control
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