Contrôle par générateurs de vortex d'un écoulement turbulent décollé

• Auteur / Autrice : Benoît Gardarin
• Direction : Laurent Jacquin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique
• Jury : Président / Présidente : José Eduardo Wesfreid
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charles Baroud, Jean-Jacques Vallée
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Paul Bonnet, Michel Stanislas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tourbillons (mécanique des fluides)

Turbulence

Résumé

Cette thèse traite de l’étude et du contrôle par générateurs de tourbillons d’un écoulement turbulent décollé. Le travail expérimental se base sur un décollement turbulent de couche limite en aval d’une marche descendante arrondie de faible rapport d’aspect, qui modélise une entrée d’air coudée d’avion de combat. Dans une première partie, on se concentre sur la dynamique de l’écoulement décollé. Celle-ci s’avère très complexe, et fait intervenir au moins trois phénomènes distincts : une instabilité de couche de mélange, un battement bidimensionnel, ainsi qu’une oscillation tridimensionnelle. La seconde partie traite du contrôle de ces phénomènes. La démarche consiste à utiliser des actionneurs de contrôle de type générateurs de vortex (VGs) mécaniques et fluidiques. Une étude empirique permet d’extraire des configurations permettant de réduire significativement l’étendue des surfaces décollées. On montre ensuite que l’efficacité de ces actionneurs dépend de deux mécanismes : le premier d’entre eux est un mécanisme de mélange, qui peut être caractérisé par la circulation des tourbillons générés ; le second est un mécanisme d’instabilité tourbillonnaire, qui est responsable de la destruction des vortex. Deux critères d’optimisation construits sur une base de temps caractéristiques sont ainsi proposés et validés sur notre cas expérimental, ainsi que sur d’autres études de la littérature.

This study deals with turbulent flow separation and its control by means of vortex generators. The experimental study is conducted downstream of a rounded ramp modeling an aircraft air intake. Due to this curvature, turbulent flow separation occurs. The first part of the work investigates the separation behavior, which involves at least three mechanisms: a mixing layer instability, a bi-dimensional beating of the recirculation bubble, and a three dimensional oscillation. The second part is devoted to the control. Both mechanical and fluidic vortex generators are used. A parametrical study allows the determination of two efficient configurations, which reduces the separated areas. Then, we show that the efficiency of this specific control strategy depends on two mechanisms: the first one is mixing, which can be characterized by the vortex circulation. The second one is vortex instability, which is responsible for the vortex disruption. Two criteria based on characteristics time scales are the constructed and validated in our experiment and other cases from the literature.