Transition laminaire turbulent dans les couches limites supersoniques : différents scénarios et contrôle possible

Laminar-to-turbulent transition in supersonic boundary layer : different scenarios and possible control

• Auteur / Autrice : Sushank Sharma
• Direction : Abdellah Hadjadj
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 17/10/2019
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Dany Vandromme
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdellah Hadjadj, Marc Buffat, Francesco Grasso, Mostafa Safdari Shadloo, Françoise Bataille, Antoine Ducoin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Buffat, Francesco Grasso

Mots clés

Mots clés contrôlés

Compressibilité

Couche limite turbulente

Couche limite laminaire

Aérodynamique supersonique

Turbulence

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Simulations numériques directes (DNS)

Transition laminaire

Couche limite supersonique

Direct numerical simulation (DNS)

Transition

Turbulence

Supersonic boundary layer

Résumé

Les simulations numériques directes (DNS) des couches limites supersoniques adiabatiques et isothermes (chauffées et refroidies) sont effectuées. Deux différents scénarios de transition, à savoir la décomposition de type oblique et la transition de type 'by-pass', sont présentés en détail. Pour le scénario de transition de type oblique, les résultats montrent que les modes contrôles avec un nombre d'onde quatre à cinq fois supérieur au nombre fondamental se révèlent être bénéfiques pour contrôler la transition. Dans la première région après le forçage du mode de contrôle, la distorsion de flux moyenne (MFD) bénéfique générée en induisant le mode de contrôle est uniquement responsable de l'entrave à la croissance du mode fondamental. Globalement, le MFD et la partie tridimensionnelle du contrôle contribuent également à contrôler la rupture oblique. Les effets de paramètres physiques tels que la température de paroi, l'intensité de la perturbation et le 'baseflow' sont étudiés pour la transition de 'By-pass'. Les résultats concernant le scénario de by-pass révèlent que l'augmentation de l'intensité de la perturbation déplace le début de la transition en amont et augmente également la longueur de la région de transition. De plus, en dessous de 1 % des niveaux de perturbation, le refroidissement de la paroi stabilise le flux, tandis que l'inverse se produit à des valeurs plus élevées. L'existence d'un non-équilibre thermomécanique avance le début de la transition pour les cas chauffés alors que la paroi refroidie se comporte dans le sens opposé. Les analyses de la couche limite turbulente montrent que les facteurs thermiques influencent la topologie et l'inclinaison des structures tourbillonnaires. De plus, en ce qui concerne le flux de chaleur, un processus de transfert différent est dominant dans la région proche paroi pour la paroi refroidie.

Direct numerical simulations (DNS) of both adiabatic and isothermal (heated and cooled) supersonic boundary layers are performed. Two different transition scenarios, namely the Oblique-type breakdown and the By-pass transition are presented in detail. For the oblique-type transition scenario, the results show that the control modes with four to five times the fundamental wavenumber are beneficial for controlling the transition. In the first region, after the control-mode forcing, the beneficial mean-flow distortion (MFD) generated by inducing the control mode is solely responsible for hampering the growth of the fundamental-mode. Globally, the MFD and the three-dimensional part of the control contribute equally towards controlling the oblique breakdown. Effects of physical parameters like wall-temperature, perturbation intensity and baseflow are investigated for the By-pass transition. The results regarding the by-pass scenario reveal that increasing the perturbation intensity moves the transition onset upstream and also increases the length of the transition region. Additionally, below 1% perturbation levels, wall-cooling stabilizes the flow while inverse happens at higher values. The existence of the thermo-mechanical non-equilibrium advances the onset of transition for the heated cases while the cooled wall behaves in the opposite sense. The analyses of the turbulent boundary layer show that the thermal factors influence the topology and inclination of the vortical structures. Moreover, regarding the heat flux, different transfer process is dominant in the near-wall region for the cooled wall.