Obstacles fractals/multi-échelles pour le contrôle passif de la séparation des écoulements turbulents

Fractal/Multiscale fences for passive control of turbulent flow separation

• Auteur / Autrice : Vinicius-Arquimedes Sepetauskas
• Direction : Jean-Marc Foucaut, John Christos Vassilicos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 29/06/2023
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides de Lille - Kampé de Fériet - Laboratoire de Mécanique des Fluides de Lille – Kampé de Fériet - UMR 9014 / LMFL
• Jury : Président / Présidente : Laurent Keirsbulck
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Foucaut, John Christos Vassilicos, Bérengère Podvin, Nicolas Mazellier, Christophe Cuvier, Martín Obligado, Karen Mulleners
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bérengère Podvin, Nicolas Mazellier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique des fluides

Décollement des écoulements

Turbulence

Vélocimétrie par images de particules

Écoulement en marche descendante

Couche limite -- Contrôle

Mots clés libres

Controle des écoulement

Marche descendante

Séparation de l'écoulement

Vélocimétrie par images de particules

Turbulence

Flow control

Backward-Facing step

Flow separation

Particle Image Velocimetry

Turbulence

Résumé

Cette thèse vise à développer un nouveau dispositif passif de contrôle de l’écoulement(FCD) basé sur le concept fractal/multi-échelles. Les obstacles fractals sont placées en amont d’une marche descendant arrondie (BFS) et l’étude est menée à un nombre de Reynolds Reh = 100 000 (basés sur la hauteur h de la BFS et la vitesse d’entrée de la soufflerie). Cependant, des tests à Reh = 33 000 ont aussi été réalisés pour vérifier l’influence du nombre de Reynolds. La technique de vélocimétrie par image de particules (PIV) a été utilisée pour toutes les expériences. La région de recirculation BFS est plus petite pour les FCD fractals/multi-échelles (S1, S2 et S3 basées sur une superposition de courbes sinusoı̈dales) que pour l’écoulement de référence et pour le cas d’un obstacle droit (L) ayant la même hauteur et la même surface frontale que les FCD fractals. Au fur et à mesure que le nombre d’itérations fractales augmente (S1 à S2 à S3), le point de rattachement moyen XR se rapproche de la marche et la région de recirculation BFS est remodelée dans le plan transversal. En aval du FCD, à mesure que le nombre d’itérations fractales augmente, des tourbillons de plus en plus petits et nombreux sont générés, ce qui accroı̂t l’hétérogénéité dans la direction de l’envergure. En fonction de la position transverse, différents types de tourbillons sont générés, certains tourbillons redirigeant l’écoulement vers la paroi et d’autres redirigeant l’écoulement loin de la paroi, ce qui augmente le transfert de quantité de mouvement entre les fluides rapides et les fluides lents. Des essais complémentaires modifiant la longueur et la hauteur de la courbe des FCD fractals ont finalement été effectués pour optimiser leur efficacité.

This thesis aims at developing a new passive Flow Control Device (FCD) based on a Fractal/Multiscale concept. The fractal fences are placed upstream of a rounded Backward-Facing Step (BFS) and the study is made at a Reynolds number Reh = 100,000 (based on the BFS height h and wind tunnel in let velocity). However, some tests at Reh = 33,000 were also carried out to test the Reynolds number influence. The Particle Image Velocimetry (PIV)technique was performed for all experiments. The BFS recirculation region is smaller for the fractal/multiscale FCDs (S1, S2 and S3 based on a superposition of sine curves) than for the reference flow and for the straight fence case (L) having the same height and frontal area.As the number of fractal iterations increases (S1 to S2 to S3), the mean reattachment point XR moves towards the step and the BFS recirculation region is reshaped in the transversal plane. Downstream of the FCD, as the number of fractal iterations increases, smaller and more numerous eddies are being generated, increasing the heterogeneity across the spanwise direction. Depending on the spanwise position, different types of eddy are generated, some eddies redirecting the flow towards the wall and others redirecting the flow away from thewall, thus increasing the momentum transfer between fast and slow fluids. Complementary tests changing the FCD curve length and height were finally done to improve the FCD efficiency