Contrôle de stries pariétales par ondulation de surface au moyen d'actionneurs piézo-électriques

par Philippe Konieczny

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Alessandro Bottaro.

Soutenue en 2004

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    La capacité à contrôler la turbulence de paroi peut engendrer des gains importants en matière de réduction de la traînée de frottement, de retardement de la transition ou des points de décollement, pouvant s'adjoindre dans de multiples applications industrielles. Ce travail contribue à promouvoir de nouveaux moyens efficaces destinés à réduire le frottement. La dynamique des structures cohérentes de proche paroi s'opère sous la forme d'un cycle auto-entretenu, qui gouverne la production de la turbulence. Les stries de hautes et basses vitesses sont propices à la manifestation d'instabilités secondaires. Plusieurs travaux récents dont les simulations numériques de Du, Symeonidis & Karniadakis (JFM 2002) ont montré que l'application d'un forçage transversal affectant directement le cycle de paroi par une force volumique pouvait produire des gains significatifs, conjointement avec une diminution de l'intensité des stries. L'étude actuelle se destine à reproduire ces effets expérimentalement, en substituant la force de volume par une paroi mouvante " intelligente " générant une onde transversale. L'ondulation est produite par des actionneurs piézo-électriques arasant à la paroi disposés en rangée, dont la déflexion, procure la déformation souhaitée. Le module de contrôle a été réalisé et testé au LEEI (ENSEEIHT, INPT). Les structures clés de la turbulence pariétale ont été reproduites artificiellement en générant à grande échelle des stries sur une couche limite laminaire. Le premier intérêt a été de quantifier l'effet produit par l'ondulation de la paroi. La réceptivité de l'écoulement strié a révélé la sensibilité majeure aux instabilités secondaires. Certains effets observés corroborent les tendances souhaitées: l'onde progressive modifie l'écoulement de base. En conditions turbulentes les effets engendrés sont moins évidents. Des voies de développement futur sont indiquées.

  • Titre traduit

    Control of near-wall streaks by undulation via piezo-electric actuators


  • Résumé

    The ability to control wall turbulence could be important for reducing skin friction, delaying transition and separation points. The use of new techniques could be potentially beneficial in many applications. This work aims at finding efficient means to reduce skin friction drag in a turbulent boundary layer. The central elements of the self-sustaining cycle which exists in turbulent boundary layers are the near-wall coherent structures whose dynamics control the turbulence production. Quasi-streamwise vortices and streaks of low and high-speed evolve through a secondary instability mechanism. Time and length scales of these structures have been known for quite some time. Recent results have shown that a spanwise forcing could lead to a conclusive control effect [Du, Symeonidis & Karniadakis, JFM 2002], results obtained by direct numerical simulations of a turbulent channel flow, with a body force (the control) which weakens the streaks and reduces the frequency of ejections. The present study aims at reproducing these effects experimentally, by replacing the body force with a "smart" moving wall generating the spanwise wave. The wall movement is achieved through piezo-electric actuators placed underneath the wall, producing a sizable deflection via an array of cantilever beams, yielding the desired wall movement. The control module has been built and tested at the LEEI (ENSEEIHT, INPT). Key elements of wall turbulence are first reproduced by embedding large scale streaks within a laminar boundary layer. Measurements have first been focused on quantifying the effect of the actuators. In the presence of organized streaks the results have shown that the control module generally excites the instability of the streaks; some of these effects corroborate the numerical findings: the travelling wave affects the mean flow. In the turbulent case the effect produced is less remarkable. Further developments for an amelioration of the technique are discussed.

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Informations

  • Détails : 1 vol. ( 181 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 175-181

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : ‬2004TOU30259
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