Vortex generator application to separated flows control
Application des générateurs de vortex au contrôle d'Écoulements décollés
Résumé
1 Contexte Le contexte général est celui du contrôle des écoulements et plus précisément du contrôle des couches limites clef de voute des écoulements. Ce domaine de la mécanique des uides consiste à manipuler un écoulement an de l'amener dans l'état désiré. Les applications les plus courantes en sont la minimisation de la force de trainée sur un véhicule ou encore l'augmentation de la portance d'une aile ou la réduction du bruit provoqué par un écoulement. Un moyen connu et usuel de manipuler les couches limites est d'utiliser des générateurs de vortex. Sous ce nom générique se cache une multitude de dispositifs dont la fonction primaire est d'introduire de la vorticité longitudinale au sein de la couche limite. Si chacun des triptyques application-écoulement-actuateur a mené à étude paramétrique par des départements d'ingénierie, il n'existait aucun consensus sur une méthode à même de prédire les paramètres optimaux à priori. Au cours des travaux présentés ici nous avons cherché à proposer et tester des outils capable de faciliter les études nécessaire à la mise en place ecace de générateurs de vortex génériques appliqué au contrôle sur un écoulement décollé en ayant une approche basée sur la physique de la couche limite. 2 Interaction entre des générateurs de vortex et une couche limite La première étape consista à observer l'interaction entre les structures engendrées par les générateurs de vortex et une couche limite sur une plaque plane. Dans les installations hydrodynamiques du laboratoire nous menons au moyen d'un protocole expérimental original, inspiré de l'imagerie par tomographie, à la reconstruction par imagerie par image de particules (ou PIV) des champs moyennés dans le temps et tridimensionnel des composantes longitudinales et transverse de la vitesse ce qui constitue à l'époque (2005) un petit exploit expérimental. Du point de vue du contrôle d'écoulements décollés cela nous a permis de quantier la modication moyenne de l'écoulement moyen. Sur ce concept nous introduisons une grandeur intégrale représentative de cette modication. Cette dernière nous aide à évaluer l'impact des générateurs de vortex sur la susceptibilité de la couche limite à subir un décollement. Une seconde analyse a permis de faire progresser les connaissances de la transition à la turbulence de la couche limite. En effet vorticité longitudinale et streaks apparaissent naturellement de façon transitoire à petite échelle lors de la transition. Un processus d'auto-entretien de ces deux structures avait été soupçonné et modélisé mais était dificilement observable expérimentalement. L'idée originale est donc ici de forcer de façon stationnaire la position des tourbillons et donc celle des streaks ce qui en rend l'étude plus aisée. En observant les énergies de ces structures à différents nombres de Reynolds nous détectons un seuil au delà duquel sont observés de nombreux indices de l'existence de ce processus selon le scénario modélisé. Il s'agit de la première démonstration expérimentale de l'existence d'un processus auto-entretenu entre tourbillons longitudinaux et streaks dans une couche limite en transition, ce qui a donné lieu à la publication de ces travaux dans Physical Review Letter. 3 Étude de l'écoulement décollé au dessus d'une rampe descendante Afin d'évaluer l'efficacité prédictive des grandeurs construites auparavant, l'écoulement au dessus d'une rampe descendante a été retenu cette géométrie étant proche de celles rencontrées dans les applications courantes (transport). Nous avons donc mené en canal hydrodynamique et en souerie des mesures PIV en fonction du nombre de Reynolds et ainsi fournit une première étude comportant une analyse de la longueur de recirculation en fonction du nombre de Reynolds, ainsi qu'une analyse détaillée des modes instables de la couche cisaillée et de la bulle de recirculation en employant une PIV résolue dans le temps dévellopée au cours de cette thèse et une méthodologie basée sur du filtrage fréquentiel qui a été crée pour l'occasion en s'inspirant des méthodes utilisé par les numériciens. Enfinnous avons confronté nos résultats à ceux obtenus sur une marche descendante. Il a été proposé et validé que le comportement de la bulle de recirculation pouvait être ramené à celui obtenu lors de l'écoulement sur une marche descendante de hauteur fixée par la position du point de décollement à un nombre de Reynolds dépendant de cette nouvelle hauteur. L'analyse fréquentielle de l'écoulement exhibe de nombreux points communs avec les écoulements de marche descendante correspondant. On y trouve fréquence dominante découlant de l'instabilité linéaire de la couche cisaillée, ses harmoniques et couplages avec les modes à basse fréquence de la bulle de recirculation. Cependant le fait que le point de décollement en plus de celui de rattachement soit laissé libres provoque une plus grande liberté de la bulle de recirculation ce qui a tendance à alimenter l'amplificateur de bruit qu'est la couche cisaillée et enrichit considérablement les spectres. Ceci rend une attribution sans équivoque des différents modes à leur source physique compliquée étant donné le nombre de sources possibles. Il s'agit à notre connaissance de l'étude expérimentale la plus complète sur cet écoulement. 4 Contrôle par générateurs de vortex de l'écoulement au dessus d'une rampe descendante. Il s'agissait enfin d'évaluer l'efficacité des outils construits lors de la première étape afin de contrôler le décollement ayant lieu dans l'écoulement étudié dans la seconde partie en combinant les méthodes expérimentales. A des nombres de Reynolds équivalents, une étude paramétrique a montré que la longueur d'onde optimale an d'accélérer la couche limite en moyenne (et donc donner plus d'énergie cinétique an de lutter contre le décollement) sur une plaque plane était également celle qui permettait de parvenir au décollement le plus tardif. Ce résultat valide l'emploi des outils construits au cours de la première phase de ces travaux . Nous montrons qu'en plus d'un décollement repoussé, nous modulons la couche cisaillée de la même manière que la couche limite incidente ce qui permet également de modifier le contenu fréquentiel de l'écoulement. Au cours du premier essai sur le sol européen de la V3V (pour Volumetric 3-component Velocimetry, TSI) qui permet d'acquérir les instantanés des 3 composantes de la vitesse dans un volume donné, nous avons pu démontrer que les structures tourbillonnaires transversales découlant de la déstabilisation de la couche cisaillée pouvaient être tuées par la modulation ainsi induite par le contrôle.
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