Etude expérimentale des oscillations de basses fréquences observées dans le régime de décrochage d'un profil mince

EXPERIMENTAL STUDY OF THE LOW FREQUENCY OSCILLATIONS OBSERVED AT STALL

• Auteur / Autrice : Ivan Kharsansky atallah
• Direction : Luc Pastur, Romain Monchaux
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• 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

Mots clés

Mots clés libres

Mécanique des fluides expérimentale

Oscillations de basses fréquences

Décrochage

Low frequency oscillations

Experimental fluid mechanics

Stall

Résumé

Les mécanismes responsables du décrochage de profils minces tels que les ailes d'avion, les pâles d'hélicoptères, les pâles d'éoliennes, etc, sont encore mal compris, bien qu'ils fassent l'objet de recherches depuis près d'un siècle [1,2,3]. Un phénomène très particulier associé au décrochage est la capacité de l'écoulement à 'se souvenir' de son histoire passée, dans la région de décrochage, sous la forme d'un cycle d'hystérésis caractérisé par une force de portance pouvant prendre deux valeurs très différentes pour un angle d'incidence donné, en fonction de l'état initial de l'écoulement. La zone de décrochage se caractérise également par un phénomène d'oscillations basse fréquence, qui s'accompagnent de violentes fluctuations de portance et de traînée autour de l'angle de portance maximale aux très basses fréquences [4,5]. Une étude numérique récemment réalisée à l'ONERA sur des modèles RANS a permis de montrer que les oscillations basse fréquence pouvaient résulter d'un cycle dynamique complexe entre deux configurations d'écoulement instables, l'une associée à un écoulement de sillage, l'autre à un écoulement de couche cisaillée [6]. Dans ce projet, il s'agira de mettre en évidence expérimentalement les structures d'écoulement, ainsi que leur dynamique, dans la région de décrochage statique par cavitation. L'ENSTA dispose pour cela d'un tunnel de cavitation dans lequel les expériences prendront place. En ajustant la pression dans la veine d'essai, les régions de décrochage, dans lesquelles les pressions sont plus basses que dans le reste de l'écoulement, seront matérialisées par les poches de cavitation résultantes. Un dispositif de visualisation par caméra rapide permettra de résoudre à la fois la dynamique basse fréquence d'intérêt pour cette étude, ainsi que les dynamiques rapides de renversement de sillages et de lâchers tourbillonnaires. [1] C. B. Millikan and A. L. Klein. The effect of turbulence. Aircraft Engineering, 5(8):169–174, 1933. [2] B. M. Jones. An experimental study of the stalling of wings. R. & M., 1588, 1933. [3] B. M. Jones. Stalling. Journal of the Royal Aeronautical Society, 38(285):753–770, 1934. [4] K. B. M. Q. Zaman, A. Bar-Sever, and S. M. Mangalam. Effect of acoustic excitation over airfoils near stall. Journal of Fluid Mechanics, 182:127–148, 1987. [5] K. B. M. Q. Zaman, D. J. McKinzie, and C. L. Rumsey. A natural low-frequency oscillation of the flow over an airfoil near stalling conditions. Journal of Fluid Mechanics, 54:403–442, 1989. [6] D. Busquet, Study of a high Reynolds flow around a two dimensional airfoil at stall. An approach coupling bifurcation theory and RANS framework, PhD Thesis (ONERA), 2020.

The mechanisms responsible for stall on thin profiles, such as airplane wings, helicopter blades, wind turbine blades, etc, are still poorly understood, although they have been the subject of active research for more than a century [1,2,3]. A very particular phenomenon associated with stall is the ability of the flow to 'remember' its past history, in the stall regime, in the form of an hysteresis cycle characterized by a lift force that can take two very different values for a given angle of incidence, depending on the initial state of the flow. The stall regime is also characterized by a phenomenon of low frequency oscillations, which is accompanied by violent fluctuations in lift and drag around the angle of maximum lift at very low frequencies [4,5]. A recent numerical study carried out at ONERA in RANS models has shown that low frequency oscillations result from a complex dynamic cycle between two unstable flow configurations, one associated with a wake flow, the other with a flow of sheared layer [6]. In this project, the aim will be to experimentally unravel the flow structures, as well as their dynamics, in the region of static stalling, by cavitation. ENSTA has a cavitation tunnel in which the experiments will take place. By adjusting the pressure in the test vein, the dropout regions, where pressures are lower than in the rest of the flow, will be materialized by pockets of cavitation. A fast camera visualization device will allow to resolve both the low frequency dynamics of interest for this study, as well as the rapid dynamics of the wake reversals and vortex releases. [1] C. B. Millikan and A. L. Klein. The effect of turbulence. Aircraft Engineering, 5(8):169–174, 1933. [2] B. M. Jones. An experimental study of the stalling of wings. R. & M., 1588, 1933. [3] B. M. Jones. Stalling. Journal of the Royal Aeronautical Society, 38(285):753–770, 1934. [4] K. B. M. Q. Zaman, A. Bar-Sever, and S. M. Mangalam. Effect of acoustic excitation over airfoils near stall. Journal of Fluid Mechanics, 182:127–148, 1987. [5] K. B. M. Q. Zaman, D. J. McKinzie, and C. L. Rumsey. A natural low-frequency oscillation of the flow over an airfoil near stalling conditions. Journal of Fluid Mechanics, 54:403–442, 1989. [6] D. Busquet, Study of a high Reynolds flow around a two dimensional airfoil at stall. An approach coupling bifurcation theory and RANS framework, PhD Thesis (ONERA), 2020.