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Thèse Année : 2021

DNS study of roughness-induced transition in hypersonic flows

Etude DNS de la transition déclenchée par rugosité dans les écoulements hypersoniques

Résumé

Understanding and predicting the effect of roughness on the laminar-turbulent transition in hypersonic boundary-layers will help the design of hypersonic flight vehicles. For this type of vehicle, it is often necessary to be able to trip the transition to turbulence upstream of air intakes. This thesis consists in studying the roughness-induced transition mechanisms in hypersonic flows. Direct numerical simulations have been performed using the Chimera method to identify the roughnessinduced transition mechanisms on a wedge-like forebody at Mach 6 and unit Reynolds number Re = 11 million (/m). Reasonable agreement with the experiments performed in the BAM6QT Quiet Tunnel at Purdue University was obtained in terms of wall heat flux and wall pressure fluctuations. First, an isolated roughness was considered. The presence of the roughness in the span-inhomogeneous base flow leads to the formation of a crossflow-like vortex. Highfrequency secondary instabilities of the stationary crossflow vortex are observed in the wake and are found to be responsible for the breakdown to turbulence. Spatial linear modal instability analysis of this flow has been performed at selected streamwise locations. The linear stability approach was found to give accurate predictions in terms of mode shapes, most amplified disturbance frequencies and growth rate as it only underpredicts the N-factor of the most unstable mode by 10% compared to the direct numerical simulations.
Cette étude s'inscrit dans le cadre des études et recherches sur de futurs véhicules hypersoniques à propulsion aérobie. Pour ce type de véhicule, il est souvent nécessaire de déclencher la transition laminaire-turbulent en amont des prises d'air, au moyen de rugosité. Le travail de cette thèse consiste donc à étudier finement les mécanismes de transition déclenchée par rugosité dans les écoulements hypersoniques. Des simulations numériques directes ont été réalisées avec la méthode Chimère afin d'identifier les mécanismes de transition déclenchée par rugosité sur un avant-corps générique à Mach 7 et un nombre de Reynolds de Re = 11 million (/m). Un accord raisonnable a été obtenu avec les résultats des tests effectués dans la soufflerie silencieuse BAM6QT de l'Université de Purdue, en terme de flux de chaleur et de fluctuations de pression à la paroi. Une rugosité isolée a été considérée. La présence de la rugosité dans l'écoulement de base nonhomogène en envergure génère un tourbillon de type crossflow. A haute fréquence, des instabilités secondaires du tourbillon de crossflow stationnaire sont observées dans le sillage de la rugosité et sont considérées comme responsable de la transition. Des calculs de stabilité linéaire bi-locale ont été effectués à différentes positions axiales. L'approche de stabilité linéaire s'est révélée précise pour la prévision des modes propres, des fréquences les plus amplifiées et du taux d'amplification des instabilités.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03217059 , version 1 (04-05-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03217059 , version 1

Citer

Julien Lefieux. DNS study of roughness-induced transition in hypersonic flows. Fluids mechanics [physics.class-ph]. Université Paris-Saclay, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPAST004⟩. ⟨tel-03217059⟩
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