Analysis and control of three-dimensional turbulent wakes : from axisymmetric bodies to road vehicles
Analyse et contrôle de sillages turbulents tridimensionnels : des cas axisymétriques aux automobiles
Résumé
An experimental study of the turbulent wake past different geometries is performed by increasing the complexity from axisymmetric bodies to road vehicles. Whatever the geometry is, two kinds of coherent wake motions are likely to be observed. First, at timescales of the order of 5D/U, D and U being the characteristic size and velocity of the flow respectively, the wake may generate periodic oscillations. These coherent motions are usually associated with the interaction of two facing shear layers of opposite vorticity. As the corresponding frequencies rely at first order on the distance between the shear layers, two distinct frequencies are reported when the afterbody has a cross-flow aspect ratio different than 1. These unsteady global modes seem to weaken when the Reynolds number and the complexity of the geometry increase. The second type of coherent motions corresponds to the development of stationary cross-flow instabilities. They are linked to the symmetry breaking modes observed in laminar regimes and their domains of appearance are defined from geometry considerations in the cases of parallelepiped bodies in ground proximity. These instabilities are responsible for strong asymmetries in the instantaneous flow and may generate bistable dynamics with a characteristic time scale of the order of 1000D/U. The study of these phenomena, combined with sensitivity analyses to small perturbations, places the diminution of the cross-flow asymmetries of the instantaneous wake as a relevant strategy for drag reduction. In particular, it is found that both local and global pressure gradients on the sides of the body are source of streamwise vortices increasing the drag. Parabolic dependences between the drag and the cross-flow forces are reported suggesting similarities with the mechanisms of induced drag that are well-known in aeronautics. Consequently, as they often generate significant wake asymmetries, the development of the cross-flow instabilities is identified as a drag contributor. On the contrary, the part of the drag related to the periodic global modes seems to be negligible especially for complex geometries at high Reynolds number.
Une étude expérimentale des sillages turbulents autour de géométries tridimensionnelles est conduite en augmentant leur complexité depuis les corps axisymétriques jusqu'aux véhicules automobiles. Quelle que soit la géométrie, deux types de mouvement cohérent sont susceptibles d'être observés dans le sillage. Tout d'abord, sur des échelles de temps de l'ordre de 5D/U, D et U étant respectivement la taille caractéristique du corps et la vitesse de l'écoulement, le sillage peut présenter des oscillations périodiques. Elles sont associées aux interactions entre deux couches cisaillées, se faisant face avec une vorticité opposée. Au premier ordre, la fréquence de ces oscillations dépend de la distance séparant les deux couches de mélange ; par conséquent, deux fréquences différentes peuvent être trouvées lorsque le corps a un rapport d'aspect différent de 1. Ces modes globaux oscillants semblent s'atténuer à mesure que le nombre de Reynolds et la complexité géométrique du corps augmentent. Le second type de mouvement cohérent est associé au développement d'instabilités stationnaires. Elles sont reliées aux brisures de symétrie observées en régime laminaire et leur domaine d'apparence est définit à partir de considérations géométriques dans le cas de corps parallélépipédiques avec effet de sol. Ces instabilités génèrent de fortes asymétries dans la topologie instantanée du sillage et notamment peuvent produire des écoulements bistables avec un temps caractéristique supérieur à 100H/U. L'étude de ces phénomènes, associée à des analyses de sensibilité à de petites perturbations, montre que la diminution des asymétries dans le sillage instantané est une stratégie intéressante de réduction de traînée. En particulier, il est montré que les gradients de pression à échelles locale et globale sur les cotés du corps sont sources de structures tourbillonnaires longitudinales qui pénalisent la traînée. Les dépendances quadratiques entre la traînée et les efforts transverses obtenues rappellent les mécanismes de traînée induite bien connus en aéronautique. Ainsi, comme elles sont souvent attribuées à d'importantes asymétries du sillage, les instabilités stationnaires sont identifiées comme des sources importantes de traînée. Par contre, la partie de la traînée associée aux mouvements périodiques du sillage semble négligeable, surtout pour les géométries complexes à grands nombres de Reynolds.
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