Analysis and control of self-sustained instabilities in a cavity using reduced order modelling

par kaushik Kumar Nagarajan

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Christophe Airiau et de Azeddine Kourta.

Soutenue le 08-02-2010

à Toulouse, INPT .

  • Titre traduit

    Analyse et contrôle des instabilitiés dans une cavité par modélisation d'ordre réduit


  • Résumé

    On considère un écoulement compressible bidimensionnel, autour d'une cavité ouverte. Des d'instabilité, auto-entretenues par l'effet de rétroaction de l'écrasement de la couche de cisaillement sur le bord aval de la cavité, génèrent des émissions acoustiques qu'il faut réduire. Des simulations numériques directes (DNS) permettent d'obtenir, avec ou sans actionnement, un modèle précis de l'écoulement. A partir des champs issus de la simulation, des décompositions orthogonales de modes propres (POD) sont proposées pour bâtir, par projection de Galerkin sur les équations isentropiques, des modèles d'ordre réduit non linéaires en prenant en compte l'actionnement (le contrôle). Pour éviter la divergence temporelle, les coefficients du système dynamique non forcé sont calibrés par diverses approches originales dont une basée sur la sensiblité modale. A partir du système dynamique forcé par un actionnement multifréquentiel (présent aussi dans les DNS), un contrôle en boucle fermée linéaire quadratique gaussien est proposé sur un système linéarisé. La reconstruction de l'état est basée sur une estimation stochastique linéaire sur 6 points de pression. Le contrôle optimal obtenu s'avère être périodique à la fréquence du second mode de Rossiter, qui est exactement celles des instabilits auto-entretenues dans la cavité. Par introduction de ce contrôle dans les simulations numériques directes, nous avons obtenu une réduction du bruit (faible) sur la fréquence du contrôle.


  • Résumé

    We consider a two dimensional compressible flow around an open cavity. The Flow around a cavity is characterised by a self-sustained mechanism in which the shear layer impinges on the downstream edge of the cavity resulting in an acoustic feedback mechanism which must be reduced. Direct Numerical Simulations (DNS) of the flow at a representative Reynolds number has been carried to obtain pressure and velocity fields, both for the case of unactuated and multi frequency actuation. These fields are then used to extract energy ranked coherent structures also called as the Proper Orthogonal Decomposition (POD) modes. A Reduced Order Model is constructed by a Galerkin projections of the isentropic compressible equations. The model is then extended to include the effect of control. To avoid the divergence of the model while integrating in time various calibration techniques has been utillized. A new method of calibration which minimizes a linear functional of error, based on modal sensitivity is proposed. The calibrated low order model is used to design a feedback control of the Linear Quadratic Gaussian (LQG) type, coupled with an observer. For the experimental implementation of the controller, a state estimate based on the observed pressure measurements at 6 different locations, is obtained through a Linear Stochastic Estimation (LSE). The optimal control obtained is periodic with a frequency corresponding to the second Rossiter mode of the cavity. Finally the control obtained is introduced into the DNS to obtain a decrease in spectra of the cavity acoustic mode.

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