Amplification optimale des streaks dans les écoulements de sillage et contrôle du vortex shedding

Optimal streaks amplification in wakes and vortex shedding control

• Auteur / Autrice : Gerardo Del Guercio
• Direction : Carlo Cossu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 07/11/2014
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Brancher
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carlo Cossu, Pierre Brancher, Gregory Pujals, Benoît Pier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Christophe Robinet, Olivier Cadot

Mots clés

Mots clés libres

Streaks

Vortex shedding

Sillages

Analyse de stabilité locale/globale

Streaks

Vortex shedding

Wakes

Local/global stability analysis

Résumé

Les amplifications optimales d'énergie de structures quasiment alignées dans le sens de l'écoulement sont calculées dans le cas d'un sillage parallèle, d'un sillage synthétique faiblement non-parallèle et du sillage d'un cylindre. Il a été observé que de très grandes amplifications d'énergie peuvent être supportés par ces sillages. L'amplification d' énergie s'accroît avec la longueur d'onde des perturbations en envergure à l'exception du sillage du cylindre pour lequel l'accroissement d'énergie est maximal pour λz ≈ 5 − 7 D. Les structures amplifiées de manière optimale sont les streaks fluctuant dans le sens de l’écoulement. Il est montré que ces streaks sont capables de supprimer complètement l'instabilité absolue d'un sillage parallèle lorsqu'ils sont déclenchés avec une amplitude finie. L'instabilité globale d'un sillage faiblement non-parallèle et celle du sillage d'un cylindre peuvent être complètement supprimées par des streaks d'amplitude modeste. L'énergie de contrôle requise pour stabiliser le sillage est très faible lorsque les perturbations optimales sont utilisées, et il est montré qu'elle est toujours plus faible que celle qui devrait être utilisée pour un contrôle uniforme en envergure (2D). Il est aussi montré que la dépendance du taux de croissance est quadratique et que, par conséquent, les classiques analyses de sensibilité au premier ordre ne permettent pas de prédire la grande efficacité de la technique de contrôle par streaks. La dernière partie de ce travail livre des résultats préliminaires sur l'étude expérimentale du contrôle par streaks dans le cas du sillage turbulent d'un corps 3D. Il est montré que les streaks forcés artificiellement dans la zone d'instabilité absolue de l'écoulement sont capables de modifier la dynamique du sillage.

We compute optimal energy growths leading to streamwise streaks in parallel, weakly non-parallel and the circular cylinder wakes. We find that very large energy amplifications can be sustained by these wakes. The energy amplifications increase with the spanwise wavelength of the perturbations except in the circular cylinder wake where maximum energy growths are reached for λz ≈ 5 − 7 D. The optimally amplified structures are streamwise streaks. When forced with finite amplitudes these streaks are shown, in parallel wakes, to be able to completely suppress the absolute instability. The global instability of the weakly non-parallel and the circular cylinder wakes can be completely suppressed with moderate streaks amplitudes. The energy required to stabilize the wake is much reduced when optimal perturbations are used, and it is shown to be always smaller than the one that would be required if a 2D control was used. It is also shown that the sensitivity of the global mode growth rate is quadratic and that therefore usual first order sensitivity analyses are unable to predict the high efficiency of the control-by-streaks strategy.