DYNAMIQUE DE LA TURBULENCE DANS L'INTERACTION JET/SILLAGE TOURBILLONNAIRE

DYNAMICS OF TURBULENCE IN JET/VORTEX WAKE INTERACTION

• Auteur / Autrice : Leo Claus
• Direction : John Christos Vassilicos
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Inscription en doctorat le 02/10/2023
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• 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

Mots clés libres

Turbulence

Jet

Tourbillons

Soufflerie

Simulations

Turbulence

Jet

Vortices

Wind tunnel

Simulations

Résumé

L'interaction entre les jets et les sillages tourbillonnaires est un problème d'intérêt fondamental qui se trouve au cœur de l'un des problèmes les plus importants auxquels l'aviation est confrontée aujourd'hui en ce qui concerne le réchauffement climatique, à savoir les traînées de condensation. En effet, ces dernières pourraient contribuer à plus de 50 % de l'impact de l'aviation sur le climat. Toutefois ce chiffre doit être affiné. Il est actuellement très incertain en raison de la complexité et de la multiplicité des échelles physiques en jeu, ainsi que des lacunes des modèles disponibles. D'un point de vue aérodynamique, le problème sous-jacent est celui de l'interaction entre le jet qui génère les traînées de condensation et le sillage tourbillonnaire formé par l'aile de l'avion et qui évolue dans l'environnement du jet. Plus précisément, la nature de la turbulence qui se produit dans cette interaction dicte le mélange et la dispersion des gaz d'échappement du jet et contribue aux propriétés des traînées de condensation loin en aval de l'avion, où elles peuvent se transformer en cirrus artificiels avec un fort impact radiatif. Aujourd'hui, les simulations effectuées pour estimer les propriétés des traînées de condensation pour des configurations en Reynolds de vol sont limitées par la capacité des modèles de turbulence à capturer cet écoulement complexe. Ces modèles présentent déjà des faiblesses pour des écoulements de jet ou de sillage seul. Par conséquent, leur capacité à fournir une bonne prédiction des traînées de condensation et donc à estimer leur effet sur le climat sont remises en question. Dans ce contexte, l'objectif du projet est d'étudier la nature des processus turbulents dans l'interaction jet/vortex et les modifications de la dynamique du jet et du sillage dues à leur couplage. L'objectif est d'améliorer la compréhension physique, de décrire les principaux mécanismes du couplage et de fournir les données nécessaires pour améliorer les modélisations de turbulence. Dans le cadre de la thèse, la DNS et la PIV seront utilisées pour caractériser la turbulence dans l'écoulement pour différentes forces relatives jet/vortex, différentes distances jet/vortex et différents nombres de Reynolds. Il s'agit d'un cas d'interactions turbulence-turbulence où une interface turbulence-turbulence significative peut exister en fonction des paramètres. Ces interfaces peuvent ou non impliquer des sauts significatifs de vorticité, comme dans le cas des interfaces turbulentes/non-turbulentes. Il sera important d'étudier la nature de cette interface, car elle est essentielle pour l'entraînement (qui est un aspect central dictant la manière dont le jet peut être aspiré dans le tourbillon) et peut également affecter le champ de pression (qui est important pour la condensation conduisant aux traînées de condensation). Ces interfaces sont des aspects particulièrement délicats de l'inhomogénéité de la turbulence et du mélange inhomogène et représentent un défi pour les modèles de turbulence. D'autres aspects de l'écoulement devront être étudiés, notamment la présence ou l'absence d'autosimilarité de propriétés de la turbulence, car l'autosimilarité simplifie les bilans de quantité de mouvement et d'énergie. Les propriétés spécifiques de la turbulence en question qui sont au cœur des méthodes de modélisation de la turbulence, comprennent la dissipation de la turbulence, les échelles intégrales et l'énergie cinétique turbulente. Il s'agit en particulier de propriétés qui, en conjonction avec l'entraînement, contribuent à la détermination de la croissance et de la décroissance du jet/sillage. L'objectif principal est de fournir des informations pour corriger les modèles de turbulence afin de prédire les premiers stades de l'évolution d'un sillage complet d'avion et de permettre une meilleure évaluation des traînées de condensation.

The interaction of jets and vortex wakes is a problem of fundamental interest that lies at the heart of one of the most important issue that aviation faces today with regards to global warming, namely contrails. Indeed, recent researches suggest that contrails could contribute more than 50% of aviation impact on climate. However this figure needs refinement, as its uncertainty is currently high, as a consequence of the complex and multiscale physics at play, and of the insufficiency of available models. From an aerodynamics point of view, the underlying problem is that of the interaction between the jet that generate the contrails and the vortex wake formed by the aircraft wing and that evolves in the jet surroundings. Specifically the nature of the turbulence that takes place in this interaction dictates the mixing and dispersion of the jet exhaust and contributes to the properties (size, content) of the contrails far downstream of the aircraft, where they may evolve into artificial cirrus with high radiative impact. Today the numerical simulations that are carried out to estimate contrail properties for flight Reynolds configurations are hindered by the capability of turbulence models to capture this complex interaction flow. These models already have weaknesses for the simpler flows of jet or wake alone. Therefore their reliability for the full flow complexity and, hence, capacity to deliver good prediction of contrail and thus estimates on their effect on climate are in question. In this context, the goal of the PhD project is to investigate the nature of the turbulent processes within the jet/vortex interaction and to explore the modifications to the jet and wake dynamics due to their coupling. The motivation is to increase physical understanding, describe the leading physical mechanisms of the coupling and provide the necessary data to improve modeling capacities of current turbulence models. The PhD work is based on a wind tunnel experiment of a jet/vortex wake interaction at the LMFL main facility, with an original experiment made of a rectangular wing equipped with two jets underneath. In the PhD, both the DNS and the PIV will be concerned with the turbulence within the jet/wake interaction flow for various jet-to-vortex strengths, various jet-to-vortex distances and various Reynolds numbers. This is a case of turbulence-turbulence interactions where a significant turbulence-turbulence interface could exist depending on parameters. Such interfaces may or may not involve significant jumps in vorticity, as in the case of turbulent/non-turbulent interfaces. It will be important to investigate the nature of this interface as it is critical to entrainment (itself a central aspect of the jet/wake interaction and the way that the jet may be ingested into the vortex) and can also affect the pressure field (itself important for condensation leading to contrails). Such interfaces are particularly challenging aspects of turbulence inhomogeneity and inhomogeneous mixing and represent a challenge for turbulence models. Other aspects of the flow which will need to be investigated include the presence/absence of self-preservation of various turbulence property profiles because self-preservation very significantly simplifies momentum and energy budgets. The specific properties of turbulence in question which are at the heart of turbulence prediction and modeling methods include turbulence dissipation, integral scales and turbulent kinetic energy. In particular, these are turbulence properties which, in conjunction with entrainment, contribute to the determination of jet/wake growth and decay with streamwise distance. It will be important to determine the rate of growth and decay of the jet/wake flow. The leading objective is to provide inputs (data, understanding) to correct turbulence model for the prediction of the early stage of the evolution of a complete aircraft wake so as to allow for better contrail assessment.