Étude numérique des interactions onde de choc / couche limite dans les tuyères propulsives

Numerical study of shock wave / boundary layer interactions in propulsive nozzles

• Auteur / Autrice : Boubakr Zebiri
• Direction : Abdellah Hadjadj
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 21/09/2020
• 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 : Pascale Domingo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdellah Hadjadj, Amer Chpoun, Paola Cinnella, Olivier Thomine, Mostafa Safdari Shadloo, Marie-Claude Druguet, Niklas Andersson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Amer Chpoun, Paola Cinnella

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vibrations

Stabilité

Ondes de choc

Diffuseurs (mécanique des fluides)

Tuyères

Fréquences des oscillations

Simulation des grandes échelles

Couche limite turbulente

Aérodynamique supersonique

Tuyères supersoniques

Mots clés libres

Modèle de parois

Bulle de séparation

Tuyère planaire

Diffuseur conique supersonique

Charges latérales

Analyse spectrale

Décomposition en mode dynamique

Nozzle flows

Wall modelling

Supersonic Turbulent Boundary Layer

Large-Eddy Simulation

Low-frequency shock Oscillations

Separation bubble

Planar nozzle

Supersonic conical diffuser

Shock unsteadiness

Side-loads

Spectra analysis

Dynamic mode decomposition

Résumé

La nécessité d’une meilleure compréhension du mécanisme d’entrainement pour l’instabilité à basse fréquence observée dans un écoulement dans une tuyère sur-détendue a été discutée. Le caractère instable de l’onde de choc/couche limite reste un défi pratique important pour les problèmes des écoulements dans les tuyères. De plus, pour une couche limite turbulente incidente donnée, ce type d’écoulement présente généralement des mouvements de choc à basse fréquence plus élevées qui sont moins couplés aux échelles de temps de la turbulence en amont. Cela peut être bon du point de vue d’un expérimentateur, en raison de difficultés à mesurer des fréquences plus élevées, mais c’est plus difficile d’un point de vue calcul numérique en raison de la nécessité d’obtenir des séries temporelles plus longues pour résoudre les mouvements à basse fréquence. En excellent accord avec les résultats expérimentaux, une série de calcul LES de très longue durée a été réalisée, il a été clairement démontré l’existence de mouvements énergétiques à basse fréquence et à large bande près du point de séparation. Des efforts particuliers ont été faits pour éviter tout forçage à basse fréquence en amont, et il a été explicitement démontré que les oscillations de choc à basse fréquence observées n’étaient pas liées à la génération de turbulence d’entrée, excluant la possibilité d’un artefact numérique. Différentes méthodes d’analyse spectrales, et en décomposition en mode dynamique ont été utilisées pour montrer que les échelles de temps impliquées dans un tel mécanisme sont environ deux ordres de grandeur plus grandes que les échelles de temps impliquées dans la turbulence de la couche limite, ce qui est cohérent avec les mouvements de basse fréquence observés. En outre, ces échelles de temps se sont avérées être fortement modulées par la quantité de flux inversé à l’intérieur de la bulle de séparation. Ce scénario peut, en principe, expliquer à la fois l’instabilité des basses fréquences et sa nature à large bande.

The need for a better understanding of the driving mechanism for the observed low-frequency unsteadiness in an over-expanded nozzle flows was discussed. The unsteady character of the shock wave/boundary layer remains an important practical challenge for the nozzle flow problems. Additionally, for a given incoming turbulent boundary layer, this kind of flow usually exhibits higher low-frequency shock motions which are less coupled from the timescales of the incoming turbulence. This may be good from an experimenter’s point of view, because of the difficulties in measuring higher frequencies, but it is more challenging from a computational point of view due to the need to obtain long time series to resolve low-frequency movements. In excellent agreement with the experimental findings, a very-long LES simulation run was carried out to demonstrate the existence of energetic broadband low-frequency motions near the separation point. Particular efforts were done in order to avoid any upstream low-frequency forcing, and it was explicitly demonstrated that the observed low-frequency shock oscillations were not connected with the inflow turbulence generation, ruling out the possibility of a numerical artefact. Different methods of spectral analysis and dynamic mode decomposition have been used to show that the timescales involved in such a mechanism are about two orders of magnitude larger than the time scales involved in the turbulence of the boundary layer, which is consistent with the observed low-frequency motions. Furthermore, those timescales were shown to be strongly modulated by the amount of reversed flow inside the separation bubble. This scenario can, in principle, explain both the low-frequency unsteadiness and its broadband nature.