Contrôle de transition laminaire turbulent par aspiration pariétale à travers des matériaux poreux innovants

Laminar turbulent transition control using wall suction through innovative porous material

• Auteur / Autrice : Baptiste Egreteau
• Direction : Fabien Mery
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISAE-ONERA EDyF Energétique et Dynamique des Fluides
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ONERA/DMPE Département Multi-Physique pour l'Energétique

Mots clés

Mots clés libres

Étude expérimentale

Transition laminaire turbulent

Contrôle de transition par aspiration

Matériaux poreux

Frittage flash

Fabrication additive

Experimental study

Laminar turbulent transition

Transition control by suction

Porous material

Spark plasma sintering

Additive manufacturing

Résumé

L'étude et le contrôle de la transition de la couche limite d'un état initial laminaire vers un état turbulent est une des grandes questions de la conception aérodynamique. En effet, la traînée de frottement est 5 à 7 fois plus faible dans un état laminaire par rapport au turbulent. Le défi est de retarder le plus possible l'amorce de la transition afin de réduire la traînée de frottement des aéronefs et donc leur consommation spécifique. Une des technologies les plus mures pour stabiliser l'écoulement de couche limite consiste en l'aspiration pariétale à travers un panneau poreux monté sur une chambre d'aspiration. D'ordinaire, l'aspiration est faite à travers une plaque de titane micro perforée. Grâce aux avancées récentes en fabrication additive, de nouveaux matériaux offrant plus de flexibilité dans leur conception sont disponibles. Un objectif est de caractériser la capacité de ces nouveaux matériaux à contôler la transition. Ainsi, ces matériaux seront d'abord caractérisés expérimentalement, avec notamment leur rugosité, et leurs pertes de charges avec et sans écoulement rasant. Cette caractérisation sera faite avec un banc de test dédié. Il a été montré que de tels matériaux poreux montés sur une chambre d'aspiration peuvent être vus comme un 'liner acoustique', ce qui implique physiquement que la vitesse normale de l'écoulement ne tend plus vers zéro à la paroi, mais est proportionnelle à la variation de pression par l'impédance. Ce couplage entre la fluctuation de la pression et de la vitesse, qui dépend de la caractéristique du panneau poreux et de la chambre d'aspiration, modifie considérablement le lieu de transition. Par conséquent, le second objectif de la thèse sera de caractériser expérimentalement les propriétés d'impédance du système d'aspiration (incluant les panneaux classiques en titane micro-perforés et issus de fabrication additive) en utilisant des mesures sur tube d'impédance ou un banc d'essai plus élaboré générant un écoulement rasant. La valeur de l'impédance sera évaluée en considérant également un écoulement de biais, ce qui est le cas lorsque le dispositif d'aspiration est en marche. De nouvelles lois de perte de charge seront adaptées à ces matériaux innovants sur la base d'une caractérisation à l'aide d'un débitmètre. Enfin, les meilleurs panneaux d'aspiration seront sélectionnés et installés sur une maquette d'aile équipée de chambres d'aspiration dans une soufflerie secondaire afin de valider le contrôle de la transition par aspiration de paroi. En fonction de l'avancement des travaux, les résultats expérimentaux seront comparés à une simulation numérique plus (DNS) ou moins (code de stabilité) élaborée prenant en compte la condition limite d'aspiration associée à la condition d'impédance à la paroi.

The study and control of the boundary-layer transition from an initial laminar state to a turbulent one is one of the major themes in the aerodynamic design. Indeed, the friction drag is 5 to 7 times lower for a laminar flow compared to a turbulent one. The challenge is to delay as far as possible the onset of transition in order to reduce aircraft friction drag and thus specific fuel consumption. One of the most mature technologies to stabilize the boundary-layer flow consists in applying wall suction through a porous panel mounted over suction chambers. Classically, suction is applied through micro-drilled panels made of titanium. With the recent development of additive manufacturing, new materials including more flexibility in their design are available. One of the objectives is to characterize the ability of these new materials in controlling transition. Thus these materials will first be experimentally characterized including their surface roughness as well as their pressure loss with/without grazing flow using dedicated test-benches. It has been shown that such porous materials mounted over suction chambers can be seen as ‘acoustic liners': physically this implies that the fluctuation part of the normal velocity does not tend anymore to zero at the wall but is proportional through the impedance value to the pressure fluctuation. This pressure velocity fluctuation coupling, which depends on the characteristic of the porous panel and the suction chamber, significantly modify the transition location. Therefore, the second objective of the thesis will be to experimentally characterize the impedance properties of the suction system (including classical titanium micro-drilled & additive manufacturing panels) using impedance tube measurements or a more elaborated test bench generating a grazing flow. The impedance value will be assessed even considering a bias flow which is the case when suction device is on. New pressure drop laws will be adapted to these innovative materials based on characterization with a flow meter. Finally, the best suction panels will be selected and installed on an airfoil model equipped with suction chambers in a sub wind tunnel in order to validate transition control by wall suction. Depending on the work progress, the experimental results will be compared to numerical simulation more (DNS) or less (stability code) elaborated taking into account the suction boundary condition associated to the impedance condition at the wall