An Experimental Investigation on Waves and Coherent Structures in a Three-Dimensional Open Cavity Flow

par Jérémy Basley

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de François Lusseyran et de Julio Soria Plaza.

  • Titre traduit

    Étude Expérimentale des Ondes et Structures Cohérentes dans un Écoulement Tridimensionnel de Cavité Ouverte.


  • Résumé

    Une écoulement de cavité ouverte tridimensionnel saturé non-linéairement est étudié par une approche spatio-temporelle utilisant des données expérimentales résolues à la fois en temps et en espace. Ces données ont été acquises dans deux plans longitudinaux, respectivement perpendiculaire et parallèle au fond de la cavité, dans le régime incompressible, en air ou en eau. À l'aide de multiples méthodes de décompositions globales en temps et en espace, les ondes et les structures cohérentes constituant la dynamique dans le régime permanent et pouvant être produites par des mécanismes d'instabilités différents sont identifiées et caractérisées.Tout d'abord, on approfondit la compréhension de l'effet des non-linéarités sur les oscillations auto-entretenues de la couche cisaillée impactante et leurs interactions avec l'écoulement intra-cavitaire. En particulier, l'analyse spectrale d'une portion de l'espace des paramètres permet de mettre en évidence un lien entre l'accrochage des modes d'oscillations auto-entretenues, la modulation d'amplitude au niveau du coin impactant et l'intermittence de ces modes. De plus, l'observation des basses fréquences intéragissant fortement avec les oscillations de la couche de mélange démontre l'existence d'une dynamique tridimensionnelle intrinsèque à l'intérieur de la cavité malgré les perturbations causées par la couche cisaillée instable.Les analyses de stabilité linéaire ont montré que des instabilités centrifuges peuvent résulter de la courbure induite par la recirculation. L'étude de la dynamique après saturation révèle de nombreuses structures cohérentes dont les propriétés sont quantifiées et classées en s'appuyant sur la forme des instabilités sous-jacentes: des ondes transverses progressives ou stationnaires. Enfin, certains comportements des structures saturées suggèrent que les mécanismes non-linéaires gouvernant le développement de l'écoulement une fois sorti du régime linéaire pourraient être étudiés dans le cadre des équations d'amplitude.


  • Résumé

    A space-time study of a three-dimensional nonlinearly saturated open cavity flow is undertaken using time-resolved space-extended experimental data, acquired in both cross-stream and spanwise planes, in incompressible air and water flows. Through use of multiple modal decompositions in time and space, the waves and coherent structures composing the dynamics in the permanent regime are identified and characterised with respect to the instabilities arising in the flow.Effects of nonlinearities are thoroughly investigated in the impinging shear layer, regarding the self-sustained oscillations and their interactions with the inner-flow. In particular, the analysis conducted throughout the parameter space enlightens a global connection between the selection of locked-on modes and the amplitude modulation at the impingement and the mode switching phenomenon. Furthermore, observations of low frequencies interacting drastically with the shear layer flapping motion underline the existence of intrinsic coherent three-dimensional dynamics inside the cavity in spite of the shear layer disturbances.Linear stability analyses have demonstrated that centrifugal instabilities are at play along the main recirculation. The present investigation of the dynamics after onset of the saturation reveals numerous space-time coherent structures, whose properties are quantified and classified with respect to the underlying instabilities: travelling or standing spanwise waves. Finally, some patterns exhibited by the saturated structures suggest that the nonlinear mechanisms governing the mutations of the flow after the linear regime could gain more insight in the frame of amplitude equations.


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