Caractérisation dynamique d'actionneurs fluidiques, et identification expérimentale des mécanismes dynamiques d'interaction jet - couche limite induits

Space-time resolved fluidic actuators characterization, and experimental identification of the physical mechanisms involved in their interaction with a boundary layer

• Auteur / Autrice : Célestin Ott
• Direction : Laurent Keirsbulck
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique. Génie civil
• Date : Soutenance le 27/01/2020
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (Valenciennes, Nord ; 1994-...)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Harion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Keirsbulck, Caroline Braud, Azeddine Kourta, Quentin Gallas, Franck Kerhervé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Caroline Braud, Azeddine Kourta

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique des fluides

Couche limite -- Contrôle

Couche limite turbulente

Mots clés libres

Contrôle d’écoulements

Actionneurs fluidiques

Caractérisation dynamique

Interaction jet couche limite turbulente

Flow control

Fluidic actuator

Dynamic characterization

Jet - turbulent boundary layer interaction

Résumé

Le contrôle actif des écoulements est un domaine de recherche à fort potentiel applicatif. Notamment dans le domaine des transports où les problématiques ayant trait à l’amélioration des performances et à la diminution de la consommation énergétique représentent des enjeux économiques et environnementaux majeurs. Dans ce contexte, l’un des objectifs consiste à optimiser les solutions de contrôle afin d’assurer un bilan énergétique global favorable. Nous proposons dans le cadre de cette thèse de s’attaquer à la question du choix des actionneurs fluidiques (classiquement fait par essai-erreur) en affinant la compréhension de la dynamique d’interaction entre l’actionneur et l’écoulement à contrôler. Pour ce faire nous avons analysé la dynamique d’interaction entre une couche limite turbulente et quatre types d’actionneurs les plus utilisés en contrôle d’écoulements : continu, pulsé, synthétique et balayant. Ainsi, sur la base de mesures de vitesse locale résolue en temps, une méthodologie de reconstruction tridimensionnelle est développée, permettant de restituer la dynamique des écoulements. Celle-ci est basée sur deux approches, l’une faisant intervenir un traitement conditionnel et l’autre un réseau de neurones. Ces méthodes permettent de caractériser la dynamique intrinsèque des écoulements induits par les actionneurs, mais également celle de leurs interactions avec l’écoulement de couche limite à contrôler. Ces caractérisations permettent de mettre en évidence les phénomènes physiques mis en jeu ainsi que les mécanismes de contrôle qui leur sont associés. Ces résultats pourront être utilisés dans de futures études de contrôle d’écoulements afin d’optimiser le choix d’un actionneur fluidique en fonction de la configuration et de l’objectif de contrôle.

Active flow control research field has high application potential, particularly in the transportation industry, where improving performance while reducing energy consumption represents major economic and environmental challenges. In this context, one of the objectives is to optimize control solutions to ensure a favorable global energy balance. In this thesis, we propose to tackle the question of the actuator choice (conventionally done by trial-and-error) by sharpening the understanding of the dynamic interaction between the actuator and the external flow. To do this, we analyzed the dynamic interaction between a turbulent boundary layer and four types of actuators commonly used in flow control : continuous, pulsed, synthetic and sweeping jet actuators. Thus, a three-dimensional reconstruction methodology based on local time-resolved velocity measurements is developed, which enabled to restore the flow dynamics. This methodology is based on two approaches : one, involving conditional processing, and the other, involving neural networks. These methods enabled the characterization of the intrinsic dynamic of the flow induced by the actuators, as well as the dynamic of their interactions with a turbulent boundary layer. Thanks to these characterizations, the physical phenomena involved were highlighted, as well as the control mechanisms associated with them. These results can be used in future flow control studies to optimize the choice of fluid actuators, based on the configuration and the control objective.