Dynamique basse fréquence et structures cohérentes autour du décrochage d'un profil mince

Low frequency dynamics and coherent flow structures on a thin airfoil at stall

• Auteur / Autrice : Ivan Kharsansky atallah
• Direction : Luc Pastur, Romain Monchaux
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IMSIA - Institut des Sciences de la Mécanique et Applications Industrielles
• Jury : Président / Présidente : Bérengère Podvin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc Pastur, Romain Monchaux, Miguel Alfonso Mendez, Andrea Ianiro, Guillermo Artana, Vincent Mons
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Miguel Alfonso Mendez, Andrea Ianiro

Mots clés

Mots clés libres

Mécanique des fluides expérimentale

Oscillations de basses fréquences

Décrochage

Low frequency oscillations

Experimental fluid mechanics

Stall

Résumé

La problématique du décrochage autour des ailes a été étudiée depuis le début du développement des surfaces portantes en raison de son impact significatif sur les performances aérodynamiques et des conséquences severes qui en découlent. Ces dernières années, une attention particulière a été portée à la compréhension des mécanismes sous-jacents à ce phénomène sur les ailes opérant à des nombres de Reynolds transitoires (≈10^5), comme c'est le cas pour les véhicules aériens sans pilote, par exemple les drones. L'utilisation de ces appareils croît rapidement, rendant indispensable la compréhension de la dynamique de décrochage. Dans ce régime, plusieurs phénomènes coexistent, parmi lesquels on retrouve la multistabilité et les oscillations de basse fréquence. Malgré la littérature abondante sur ces sujets, il existe encore des lacunes dans la compréhension des mécanismes et des interactions entre eux. L’objectif de ce travail est de combler cet écart et de fournir une vision plus claire des dynamiques complexes impliquées. Pour ce faire, nous avons effectué des mesures de force et de pression synchronisées avec de la vélocimétrie par images de particules sur un profil mince (NACA 0012) dans une soufflerie en circuit fermé. Des dynamiques bistables auto-entretenues ont été observées sur une large gamme de nombres de Reynolds et pour des angles légèrement supérieurs à l'angle de portance maximale. Le système bascule de manière intermittente entre deux états de portance : élevée et faible. Nous montrons que ce processus est aléatoire et peut être modélisé comme une chaîne de Markov continue, donc sans mémoire. Les temps moyens de résidence dans chaque état suivent une évolution super-exponentielle, en accord avec le lien mathématique entre les événements rares extrêmes et les chaînes de Markov. La topologie et la dynamique de l'écoulement dans chaque état sont analysées à différents nombres de Reynolds. Au-dessus d'un nombre de Reynolds critique, l'état de portance élevée présente une bulle de séparation laminaire de taille reduite, de faibles fluctuations et aucun signe d'instabilité de basse fréquence. En dessous de cette valeur critique, une bulle plus longue est présente, accompagnée d’un pic large bande de basse fréquence avec un nombre de Strouhal un ordre de grandeur inférieur à celui correspondant à l'allée de tourbillons de Karman. En revanche, l’état de faible portance présente des caractéristiques similaires pour tous les nombres de Reynolds testés, avec une intermittence entre longues bulles et séparation massive. Une instabilité de basse fréquence large bande est également observée avec un nombre de Strouhal proche de celui de l'état de portance élevée. En utilisant une extension de la décomposition propre multiéchelle, nous associons cette énergie de basse fréquence à une contraction-expansion de la bulle. Deux scénarios de décrochage sont proposés selon le régime de Reynolds : un premier où les transitions sont déclenchées par la « respiration » de la bulle et un autre où les transitions sont principalement dues au bruit de fond. Enfin, un modèle stochastique basé sur les séries temporelles expérimentales du coefficient de portance est développé. Le modèle reproduit de manière satisfaisante les dynamiques et les statistiques de grande échelle de la bistabilité. Il prédit également l'existence d'une branche instable reliée par deux bifurcations noeud-col, ayant des conséquences sur la stabilité des états de portance élevée et faible.

In the last years, particular emphasis was put on understanding the mechanisms behind stall on wings working at transitional Reynolds numbers (Re≈10^5) as is the case for unmanned aired vehicles, e.g., drones. In this regime, there is a melting pot of phenomena, among which we can find multistability and low-frequency oscillations. Despite the vast literature on these subjects, there is still a gap in the understanding of the mechanisms behind and the interaction between them. The objective of this work is to bridge this gap and to provide a clearer picture of the dynamics involved. To this end, we have conducted synchronised pressure-forced and particle image velocimetry measurements in a NACA0012 on a wind tunnel. Self-sustained bistable dynamics are observed over a broad range of Re and at angles slightly higher than the angle of stall. The system jumps intermittently between two states of high and low lift. We show that this process is random and memoryless. The mean residence time follows a super-exponential evolution typical of subcritical bifurcations. Flow topology and dynamics in each state are analyzed at different Re. Above a critical Re, the high lift state features a small laminar separation bubble, low fluctuations and no sign of low-frequency unsteadiness. Below this value, a longer bubble is present, accompanied by a low-frequency broadband peak with a Strouhal number one order of magnitude lower than the one for wake vortex shedding. On the other hand, the low lift state exhibits similar features for all Re tested, featuring intermittency between long bubbles and massive separation. Broadband low-frequency unsteadiness is also observed, with a Strouhal number close to the one found for the high lift state. Employing an extension of the Multiscale proper orthogonal decomposition, we associate this low-frequency energy with a shrinking-expansion of the bubble. Two stall scenarios are proposed depending on the Re regime. A first one where the transitions are triggered by the bubble breathing and another driven by background noise. Finally, a stochastic model based on the lift coefficient is developed. The model sucessfully reproduces the large-scale dynamics and statistics of the bistability. It also predicts the existence of an unstable branch linked by two saddle-node bifurcations with consequences on the stability of the high and low lift states.