Etude expérimentale et théorique d'un écoulement transsonique instationnaire de canal

par Pascal Berthouze

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides

Sous la direction de Thierry Alziary de Roquefort.

Soutenue en 2003

à Poitiers , en partenariat avec Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées (autre partenaire) .


  • Résumé

    La présente étude a pour objectif l'exploration approfondie d'un écoulement transsonique, bidimensionnel et instationnaire résultant de l'oscillation d'une onde de choc quasi-normale dans un canal. Cette oscillation est forcée par une évolution périodique de la section d'un col aval, au moyen d'une came en rotation placée au voisinage de ce col, au milieu du canal. Le but recherché est d'obtenir une description précise du caractère instationnaire de l'écoulement afin de caractériser l'évolution de la couche limite et du choc spatialement et temporellement. Nous considérons des oscillations de choc dont l'amplitude atteint environ 10 fois l'épaisseur de la couche limite et dont les fréquences sont bien inférieures aux fréquences caractéristiques de la turbulence (nombre de Strouhal de l'ordre de 3x10-4). Pour atteindre cet objectif, nous avons utilisé trois approches : expérimentale, théorique et numérique. L'approche expérimentale fait appel à des méthodes optiques de visualisation et de mesure. La technique de visualisation repose sur l'utilisation d'une caméra à tambour (Strobodrum) couplée à un générateur d'éclairs. La méthode d'acquisition utilise un vélocimètre laser à deux composantes synchronisé sur un signal connu, avec un traitement des mesures par analyse conditionnelle. De nombreuses mesures de pressions stationnaire et instationnaire ont été effectuées. La théorie basée sur la propagation des ondes acoustiques permet d'avancer une explication au phénomène d'oscillation du choc. L'étude numérique s'appuie sur des simulations effectuées à l'aide d'un code Navier-Stokes instationnaire. Ce travail propose en plus un cas test bien documenté permettant la validation des outils numériques grâce aux mesures instationnaires du champ de l'écoulement. Il apporte aussi une contribution à l'interprétation du phénomène de tremblement des aubes de turbomachines ou des profils d'aile.

  • Titre traduit

    Experimental and theoretical study of a transonic unsteady flow in a channel


  • Résumé

    The purpose of the present study is to investigate a two-dimensional transonic unsteady flow where the oscillation of the normal shock-wave is forced thanks to a periodic variation of the downstream throat section given by a rotating shaft located near this throat in the middle of the channel. The aim of the present work is to obtain a precise description of the unsteady flow in order to characterize the evolution of the boundary layer and the shock in space and time. Shock oscillations whose amplitude is about 10 times of the boundary layer thickness and frequencies much lower than turbulence frequencies (Strouhal number of about 3x10-4) are investigated. Three approachs, i. E. Experimental, theoretical and numerical, were used in order to achieve our goal. For the experimental study, optical diagnostic methods were used. A first one is a spark light system coupled with a drum camera (Strobodrum). An other one is an acquisition method using a two-component laser velocimeter synchronized with a reference signal, allowing conditional sampling. Continuous and unsteady pressure measurements were extensively performed. The theory of acoustical waves allowed to give an explanation to the shock oscillations phenomena. The numerical part was based on computations with an unsteady RANS code. In addition, this work provides a well documented test case to validate numerical tools thanks to the unsteady probing of the flowfield. It is also used for the physical interpretation of phenomena such as rotating blades or wing airfoils buffeting.

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Informations

  • Détails : [5]-119 f.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 48 réf.

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