Etude Expérimentale et Numérique de Micro-Oscillateurs Fluidiques pour le Contrôle d'Ecoulements Décollés

Experimental and Numerical Study of Micro-Fluidic Oscillators for Flow Separation Control

• Auteur / Autrice : Shiqi Wang
• Direction : Lucien Baldas, Azeddine Kourta
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des Fluides
• Date : Soutenance le 01/09/2017
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....) - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Colin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lucien Baldas, Azeddine Kourta, Irina Graour, Emmanuel Guilmineau, Nicolas Mazellier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Keirsbulck, Sedat Tardu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anémomètres à fil chaud

Microfluidique

Dynamique des fluides

Oscillateurs

Mots clés libres

Oscillateur fluidique

Effet Coanda

Contrôle actif d'écoulement

PlV

Ecoulement sur une rampe

OpenFoam

Anémométrie Fil Chaud

Fluidic Oscillator

Coanda effect

Active flow control

Ramp flow

PIV

OpenFoam

Hot-wire anemometry

Résumé

Les oscillateurs fluidiques qui peuvent générer des excitations périodiques sont des actionneurs très prometteurs pour des applications de contrôle actif des écoulements. Les oscillations sont en effet complètement auto-induites et produites en l'absence de parties mobiles ce qui rend ces actionneurs très intéressants en termes de fiabilité et de robustesse. Ce travail de thèse avait pour objectif principal d'identifier les mécanismes physiques qui contrôlent la dynamique de fonctionnement de ce type d'oscillateurs fluidiques et de proposer des lignes directrices pour la conception d'oscillateurs dont les performances soient adaptées aux applications de contrôle d'écoulements envisagées. L'analyse expérimentale de plusieurs prototypes couplée à des simulations numériques a permis de mettre en évidence que le mécanisme de basculement du jet dans ce type d'oscillateurs est contrôlé par les gradients de pression existants au niveau de deux parties critiques de ces actionneurs. A partir de cette analyse, une relation simple a été établie permettant d'estimer la fréquence des oscillations. Deux méthodes de synchronisation, permettant le contrôle du déphasage entre les actionneurs, ont été proposées et validées expérimentalement ainsi qu'à l'aide de simulations numériques. Une matrice de micro­ oscillateurs fluidiques a été conçue, fabriquée et finalement intégrée sur une rampe installée en soufflerie. L'analyse expérimentale de son efficacité pour le contrôle de l'écoulement séparé a mis en évidence un gain important par rapport aux résultats obtenus lors de travaux précédents sur des écoulements de paroi similaires à l'aide d'autres types d'actionneurs fluidiques.

Fluidic oscillators which can generate periodic excitations are very promising for active flow control applications, due to their reliability and robustness, as their internal flow oscillation is totally self-induced and self-sustained. The main objective of this work is to identify the underlying mechanisms controlling the dynamics of this kind of fluidic oscillator and to propose guiding lines for the design of oscillators. Experimental analysis of several oscillator prototypes and associated numerical simulations have permitted to explain that the jet switching in this kind of oscillator is controlled by pressure gradients in two critical parts of the device. From these analyses, a simple function has been proposed to estimate the oscillation frequency. Two synchronization methods, allowing the control of the phase lag between the actuators, have been proposed and validated experimentally and by numerical simulations. An array of micro-fluidic oscillators has then been designed and tested on a ramp separated flow, showing much higher efficiency compared to other kind of fluidic actuators tested on similar wall flows in previous studies.