Nonlinear dynamics and linear stability analysis of over-expanded nozzle flows - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2020

Nonlinear dynamics and linear stability analysis of over-expanded nozzle flows

Dynamique nonlinéaire et stabilité linéaire d'une tuyère sur-détendue

(1)
1

Abstract

Shock wave-boundary layer interactions in over-expanded rocket nozzles are responsible for large detached regions resulting in non-axisymetric forces called side-loads. The mechanism at stake is self-sustained and involves separation, shear layers and Mach disks. In such cases, an hybrid approach for turbulence is required. This thesis aims at investigating the potentially globally unstable nature of this unsteadiness by means of a Delayed Detached Eddy Simulations (DDES) on an over-expanded nozzle and comparing it with a fully-3D linear stability analysis. The geometry considered is a TIC nozzle, experiencing a FSS unsteadiness and operating at 3 different jet Mach number M_j=[1.83, 2.09, 2.27]. Nonlinear calculations confirm the experimental outcomes: energy in PSD spectra for wall perturbations is distributed over 2 peaks at intermediate frequency (St=0.2-0.3) and two humps at low-frequency $left(St<1right)$ and high frequency (St =1), respectively. Particularly, at M_j=1.83 the peak at St=0.2 competes with that at St=0.3, prevails on the latter at M_j=2.09 and finally vanishes as the other at M_j=2.27. A PSD computed for different azimuthal components of wall pressure perturbation show a clear azimuthal separation for all the contribution above mentioned. Particularly, while the peak at St=0.3 has a double contribution m=2-3 at M_j=1.83 and exclusively a m=2 symmetry at M_j=2.09, the peak at St=0.2 has constantly a m=1 symmetry, which behaves has a persistent signature inside the nozzle at M_j=2.09. Consequently, a global stability analysis is performed on the DDES meanflow at M_j=2.09. Such analysis returns an unstable mode at St=0.2 with a m=1 shape, which develops from separation point and is localised at the external shear layer.
Les interactions onde de choc/couche limite à l'intérieur de tuyères sur-détendues produisent des grandes régions détachées entraînant des forces non-axisymétriques appelées charges latérales. Le mécanisme générateur (mettant en jeu le décollement, les couches de cisaillement et les disques de Mach) est auto-entretenu avec des échelles de temps et d'espace relativement bien séparées de celles de la turbulence. Dans de tels cas, une approche partiellement résolue pour la turbulence (e.g. DDES) est envisageable afin de réduire les coûts de calcul. Cette thèse vise à étudier la nature potentiellement globalement instable de cette instationarité a l'aide de simulations numériques hybrides dans le cas d'une tuyère sur-détendue et par une analyse de stabilité linéaire 3D. La géométrie considérée est une tuyère TIC, en régime free shock séparation (FSS) et fonctionnant à 3 différents nombres de Mach de jet Mj = [1.83, 2.09, 2.27]. Les calculs non linéaires confirment les résultats expérimentaux : la densité spectral d'énergie des perturbations de pression proche paroi est repartie sur 2 pics à fréquence intermédiaire (St = 0.2 − 0.3) et deux bosses a basse et haute fréquence, respectivement à St < 1 et St _ 1. Pour un Mach de jet Mj = 1.83, l'énergie aux fréquences St = 0.2 et St = 0.3 sont comparables. A Mj = 2.09, le pic d'énergie à St = 0.2 domine tandis que les deux finissent par disparaître pour un Mach de jet Mj = 2.27. Une PSD calculée pour différentes composantes azimutales de la perturbation de la pression proche paroi montre une claire séparation azimutale pour toutes les contributions fréquentielles. En particulier, alors que le pic à St = 0.3 a une double contribution m = 2−3 a Mj = 1.83et il est exclusivement de type m = 2 à Mj = 2.09. Le pic à St = 0.2 a, quant à lui, une symétrie m = 1, avec une signature persistante à l'intérieur de la tuyère à Mj = 2.09. Dans un second temps, une analyse de stabilité globale est exécutée autour du champ moyen DDES à Mj = 2.09. Une telle analyse donne un mode instable à St = 0.2 avec une symétrie azimutale de type m = 1. Ce mode se développe à partir du point de décollement et se localise au niveau de la couche de cisaillement externe.
Fichier principal
Vignette du fichier
tarsia.pdf (16.08 Mo) Télécharger le fichier
Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03169495 , version 1 (15-03-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03169495 , version 1

Cite

Cosimo Tarsia Morisco. Nonlinear dynamics and linear stability analysis of over-expanded nozzle flows. Chemical and Process Engineering. HESAM Université, 2020. English. ⟨NNT : 2020HESAE054⟩. ⟨tel-03169495⟩
220 View
96 Download

Share

Gmail Facebook Twitter LinkedIn More