Manipulation du sillage et de la traînée d'un corps épais par forçage fluidique

Wake and Drag Manipulation of a Bluff Body Using Fluidic Forcing

• Auteur / Autrice : Diogo Camello Barros
• Direction : Jacques Borée, Bernd R. Noack
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance le 11/12/2015
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Jury : Président / Présidente : Sinisa Krajnovic
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian N. Nayeri, Tony Ruiz, Andreas Spohn
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jonathan F. Morrison, Olivier Cadot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence de sillage

Traînée (aérodynamique)

Sillage (aérodynamique)

Décollement des écoulements

Écoulement cisaillé

Couche limite -- Contrôle

Bruit aérodynamique

Automobiles -- Glaces et pare-brise

Mots clés libres

Réduction de traînée

Contrôle des écoulements

Drag reduction

Flow control

Résumé

La réduction de la trainée aérodynamique des véhicules terrestres est un défi actuel dans l’industrie automobile. La région de basse pression du sillage à l’arrière des voitures est responsable d’une part importante de la résistance à l’avancement. Cette étude porte sur le développement de nouvelles stratégies de manipulation de l’écoulement autour de ces géométries dans le but de réduire la traînée. Afin d’atteindre ces objectifs, nous explorons expérimentalement les effets d’un forçage fluidique sur le sillage et la traînée d’un corps au culot droit. Des jets périodiques émis aux bords de fuite du modèle, tangentiellement à l’écoulement principal et avec des fréquences et amplitudes variables sont utilisés pour forcer le sillage. Selon les conditions du contrôle, trois phénomènes sont principalement observés. Premièrement, sur la plage des fréquences comprenant celle du lâcher tourbillonnaire, les jets pulsés sont convectés et modifient l’entrainement de fluide vers la région de recirculation ainsi que l’évolution des instabilités de la couche cisaillée. Cette dynamique complexe a comme conséquence l’augmentation de la trainée du corps. De plus, une résonance subharmonique apparait quand les jets pulsés sont émis avec des fréquences voisines de deux fois la fréquence du mode global. Une importante augmentation de la trainée est alors mesurée et corrélée à une forte amplification des mouvements du sillage. Une augmentation de la fréquence de pulsation se traduit par un effet de vectorisation des couches cisaillées. En outre, une diminution de l’intensité turbulente du sillage proche ainsi qu’une réduction de l’entrainement de fluide le long des couches cisaillées sont mesurés, correspondant à une réduction globale de l’énergie cinétique turbulente de l’écoulement. Le couplage de ces effets est responsable d’une augmentation de la pression au culot et de la réduction de la traînée. Il est important de noter que ces trois régimes d’actuation sont indépendants des modes de brisure de symétrie existant dans ces écoulements, qui sont analysés ici par des études paramétriques de sensibilité aux perturbations. Les aspects physiques de ces phénomènes sont discutés par des mesures de la traînée, de la pression pariétale et de la vitesse avec différentes conditions de l’écoulement et du contrôle. L’addition d’une surface courbée au voisinage du jet pulsé permet de profiter d’un effet Coanda et augmente les réductions de traînée jusqu'à 20%dans le régime instationnaires. De façon générale, l’effet Coanda amplifie non seulement la récupération de la traînée mais préserve aussi les effets de la pulsation haute fréquence sur l’écoulement turbulent. Ces résultats encouragent le développent des actionneurs fluidique pour l’utilisation en aérodynamique des véhicules et fournissent un complément pour notre compréhension sur la traînée des corps non profilés et sa manipulation.

Aerodynamic drag reduction of bluff bodies has become a major challenge for transport vehicles. The massive flowseparation occurring behind cars, buses or trucks is responsible for a large resistance force due to the low-pressure, rearwake flow. The present study aims to develop novel strategies to manipulate the flow past such geometries as well as toassociate its modifications to the corresponding drag changes. In order to achieve this goal, we experimentally investigatethe impact of fluidic actuation on the wake and drag of a square-back bluff body. Wake forcing is performed by theemission of pulsed jets along the blunt trailing-edges of the model, tangentially to the main flow with variable frequencyand velocity. Depending on the forcing conditions, mainly three flow regimes can be identified. First, for a broadbandrange of frequencies comprising the natural wake instabilities, the convection of the jet structures enhances wakeentrainment, shortens the recirculating flow length with an increase of the bluff body drag. Besides, a subharmonicresonance takes place on the flow at forcing frequencies in the vicinity of twice the wake vortex shedding, leading to ahighly unsteady near wake with significant decrease of the bluff body base pressure. It corresponds to an importantincrease of the model’s drag. Further increase of the actuation frequency induces a wake fluidic boat-tailing by shearlayerdeviation. It additionally lowers turbulent intensity and entrainment of high momentum fluid in the shear layer,revealing an overall reduction of the wake fluctuating kinetic energy. The association of both mechanisms is responsiblefor a raise of base pressure and a decrease of the model's drag. These actuation regimes are independent of the symmetrybreaking modes, wake reversals existing in such flows, which are further clarified here by parametric sensitivity analysisusing flow perturbations. The physical features of such regimes are discussed on the basis of drag, pressure and velocitymeasurements at several upstream conditions and control parameters. By adding curved surfaces at the jet outlets totake advantage of the so-called Coanda effect, the effect of periodic actuation can be further reinforced leading to dragreductions of about 20 % in unsteady regime. In general, the unsteady Coanda blowing not only intensifies the basepressure recovery but also preserves the effect of unsteady high frequency forcing on the turbulent field. The presentresults encourage the development of fluidic control in road vehicles' aerodynamics as well as provide a complement toour current understanding of bluff body drag and its manipulation.