Effet de la turbulence et de stratification atmosphérique sur la dynamique des tourbillons marginaux
Auteur / Autrice : | Maël Benlarbi |
Direction : | Jean-Philippe Laval, Vincent Brion |
Type : | Projet de thèse |
Discipline(s) : | Mécanique des milieux fluides |
Date : | Inscription en doctorat le 01/10/2022 |
Etablissement(s) : | Université de Lille (2022-....) |
Ecole(s) doctorale(s) : | ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : LMFL Laboratoire de Mécanique des Fluides de Lille |
Mots clés
Résumé
Dans un environnement non stratifié, un avion génère un dipôle de tourbillons contrarotatifs. Au fur et à mesure que l'avion s'éloigne, cette paire de tourbillons descend et développe possiblement (cela dépend du taux de turbulence ambiant, essentiellement) deux types d'instabilités (tridimensionnelles), une à grande longueur d'onde [1] et une à faible longueur d'onde [2]. La connaissance du taux de décroissance de ces tourbillons en incluant les effets des conditions atmosphériques telles que la stratification de la densité est essentielle pour correctement caractériser le sillage d'un avion [3]. La stratification atmosphérique est connue pour modifier le profil de descente et changer les seuils d'apparition et la longueur d'onde des instabilités communes du cas non stratifié [4,5], à savoir les instabilités courte et le grande longueur d'onde, aussi appelée Widnall et Crow [1,6]. Des travaux théoriques récents [7] confirment qu'une stratification plus forte favorise la déstabilisation des longueurs d'onde plus courtes du sillage tourbillonnaire. Des résultats numériques suggèrent également que la stratification réduit la descente des tourbillons [8] mais très peu d'expériences existent [5] valider ces résultats. Bien qu'il existe différentes études sur l'effet de la stratification sur les tourbillons de bout d'aile, plusieurs questions importantes persistent. La première est celle de l'importance de la stratification en champ proche du sillage généré par l'objet portant. La plupart des études négligent ce problème et émettent l'hypothèse d'une configuration de sillage qui néglige la stratification au début du sillage. Le seuil où cette hypothèse est réalisée doit néanmoins être déterminé avec précision, car il pourrait éventuellement affecter l'état du sillage et sa dynamique.La seconde question est celle de la confirmation que le résultat théorique obtenu par Ortiz et al.[7], concernant les propriétés de stabilité du sillage en présence de stratification, sont bien observées dans les écoulements à plus grand nombre de Reynolds. Le travail expérimental de Delisi [5] suggère que c'est le cas, mais il ne fournit aucune indication de la structure de l'écoulement qui se cache derrière la dynamique de longueur d'onde plus courte. En particulier, le rôle du sillage secondaire formé par le couple barocline au-dessus des tourbillons dans une stratification légère à forte mérite une étude plus poussée pour comprendre sa formation et son interaction avec les tourbillons primaires. Références : [1] Crow, S. C. Stability theory for a pair of trailing vortices AIAA Vournal, 1970, vol. 8, no 12 [2] Roy, C., Leweke, T., Thompson, M. C., and Hourigan, K. (2011) Experiments on the elliptic instability in vortex pairs with axial core flow Journal of Fluid Mechanics, vol. 677 [3] Holzäpfel, F. (2014). Effects of environmental and aircraft parameters on wake vortex behavior. Journal of Aircraft, 51(5), [4] D. Lewellen & W. Lewellen (2001) The effects of aircraft wake dynamics on contrail development,Journal of the atmospheric sciences, vol. 58, no. 4 [5] Delisi D.P., Robins R.E. (2000) Short-Scale Instabilities in Trailing Wake Vortices in a Stratified Fluid, AIAA Journal, vol. 38 [6] Spalart, P. R. (1998) Airplane trailing vortices Annual Review of Fluid Mechanics, vol. 30, no 1 [7] Ortiz, S., Donnadieu, C., & Chomaz, J. M. (2015). Three-dimensional instabilities and optimal perturbations of a counter-rotating vortex pair in stratified flows. Physics of Fluids vol. 27(10) [8] Nomura, K. K., Tsutsui, H., Mahoney, D., & Rottman, J. W. (2006) Short-wavelength instability and decay of a vortex pair in a stratified fluid. Journal of Fluid Mechanics, Vol. 553