Analyse et contrôle de l'écoulement turbulent affleurant une cavité profonde

Analysis and control of turbulent flow over a deep cavity

• Auteur / Autrice : Mouhammad El Hassan
• Direction : Larbi Labraga, Laurent Keirsbulck
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Valenciennes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couche limite turbulente

Vélocimétrie par images de particules

Résonance

Frottement

Couplage acoustique

Trous

Mots clés libres

Contrôle passif

Modèle de Rossiter

Résumé

Les cavités profondes sont présentes dans plusieurs domaines industriels. Ce type de cavité est le siège de couplage aéro-acoustique qui est une source de nuisances sonores et de fatigue pour les matériaux. Cette étude expérimentale montre l'influence d'une cavité profonde sur l'écoulement turbulent affleurant. Le contrôle de l'écoulement de cavité a été réalisé à l'aide d'un cylindre placé en amont de la cavité. Des mesures par LDV, effectuées dans un canal hydraulique, mettent en évidence une augmentation du frottement pariétal en aval de la cavité. Il apparaît que le frottement pariétal est moins important pour les cavités profondes que pour les cavités peu profondes étudiées dans la littérature. Les valeurs élevées des coefficients de dissymétrie et d'aplatissement révèlent la présence d'événements intermittents de type éjections en aval de la cavité. Ce résultat a été confirmé à l'aide de la PIV. Des mesures de pression instationnaire sont réalisées sur deux configurations de cavité profonde (L/H = 0. 2 et 0. 41) dans une soufflerie subsonique de grandes dimensions. Des oscillations hydrodynamiques de la couche de cisaillement apparaissent à partir d'une vitesse minimale qui dépend de la longueur L de la cavité. On montre que le modèle de Rossiter est tout à fait adapté pour prédire les modes de ce type de cavité lorsque la vitesse de convection est mesurée et lorsque la rétroaction est supposée instantanée. Des mesures de PIV résolue dans le temps, réalisées pour L/H = 0. 2 et U₀ = 43 m/s, ont mis en évidence la formation d'une structure tourbillonnaire au niveau du bord d'attaque de la cavité, puis l'augmentation de la taille de cette structure à mesure qu'elle est advectée vers le bord aval. Un cylindre de diamètre d, placé en amont de la cavité, a permis un contrôle efficace de la résonance et une modification du comportement de la couche de cisaillement. Une réduction de 36 dB du niveau de pression est obtenue lorsque le cylindre se trouve à une distance optimale de 1. 67 d de la paroi. L'utilisation d'un cylindre profilé pour le contrôle des modes de cavité montre que l'efficacité du cylindre n'est pas due à un forçage haute fréquence, mais résulterait de l'épaississement de la couche de cisaillement, ce qui la rendrait plus stable

Deep cavities are present in many industrial processes. The aero-acoustic coupling and the high increase in the skin friction coefficient downstream from the cavity results in resonance of high pressure level as well as strong vibration and structural fatigue. The present experimental investigation shows the effect of a deep cavity on a turbulent boundary layer. A control device using spanwise cylinder is conducted. LDV measurements, conducted in a water tunnel, evidenced that the skin friction coefficient increases downstream from the cavity. With same flow conditions, drag increase is lower for deep cavities than for shallow ones studied in the literature. The high values of skewness and flatness coefficients are related to intermittent ejections of flow from the downstream part of the cavity. This hypothesis was confirmed thanks to PIV measurements. Pressure measurements are conducted in two large deep cavity configurations (L/H = 0. 2 et 0. 41) in a large wind tunnel. Oscillations of discrete frequencies are produced inside the cavity when the free-stream velocity becomes higher than a minimum value which depends on the cavity length L. The hydrodynamic mode of the cavity shear layer is well predicted by the Rossiter model the convection velocity is measured and when the empirical time delay is neglected. Time-resolved PIV measurements show that for L/H = 0. 2 and U₀ = 43 m/s only one vortical structure is formed at the cavity leading edge. This vortex grows while convecting downstream along the shear layer. A cylinder placed spanwisely near the cavity leading edge removes the resonance and highly modifies the behavior of the shear layer flow. Reductions in sound pressure levels (SPL) of up to 36 dB is obtained for optimal position of 1. 67 diameter of the cylinder from the wall. Moreover, a shaped cylinder was also studied and shows that the attenuation of tones is not due to high frequency pulsing as suggested in literature, but to higher stability of the shear layer due to the change in the mean axial velocity profiles and the increase in the shear layer thickness.