Subcritical and supercritical dynamics of incompressible flow over miniaturized roughness elements

par Michele Alessandro Bucci

Thèse de doctorat en Génie énergétique

Sous la direction de Jean-Christophe Robinet et de Stefania Cherubini.

Soutenue le 04-12-2017

à Paris, ENSAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de Dynamique des Fluides (Paris) (laboratoire) et de Laboratoire de Dynamique des Fluides (laboratoire) .

Le président du jury était José Eduardo Wesfreid.

Le jury était composé de Stefania Cherubini, Ulrich Rist, Estelle Piot, Jean-Christophe Loiseau.

Les rapporteurs étaient Dan S. Henningson, Denis Sipp.

  • Titre traduit

    Dynamique souscritique et supercritique d’un écoulement incompressible autourd’éléments de micro-rugosité


  • Résumé

    Cette thèse vise à mettre en évidence les limites du contrôle passif en utilisant des éléments de rugosité miniaturisés. La topologie des écoulements induite par la présence d’une rugosité cylindrique et des générateurs de tourbillons miniaturisés a été étudiée pour analyser la dynamique pour des temps court et long. Différentes bifurcations supercritiques ont été examinées au moyen d’une analyse de stabilité globale. La bifurcation souscritique est déclenchée par des mécanismes de croissance transitoire de l'énergie ou par la réceptivité de modes globaux stables. Des structures deforçage optimal 3D sont extraites pour comprendre la distribution spatiale liée à la fréquence de résonance du système. La simulation numérique directe perturbée révèle le rôle central du mode global le moins stable dans les instationnarités non-linéaires observées. Une analyse détaillée des structures tourbillonnaires montre qu’elles sont principalement liées aux mécanismes linéaires sous-jacents. La principale caractéristique globale du mode propre est liée à la présence d’une zone de séparation en aval de la rugosité cylindrique. En utilisant des générateurs de tourbillon miniaturisés, cette zone de séparation est fortement diminuée et aucun mode global isolé est alors présent. La dynamique de l’écoulement se révèle être conduit non seulement par le nombre de Reynolds de rugosité et par son rapport d'aspect géométrique, mais aussi par le rapport entre la hauteur de la rugosité et l’epaisseur de couche limite.


  • Résumé

    This thesis aims at highlighting the limits of passive control by usingminiaturized roughness elements. The flow topology induced by the presence ofcylindrical roughness and miniaturized vertex generators has been studied to uncover asymptotic and short time dynamics. Supercritical bifurcations has been investigated by means of global stability analysis. Subcritical bifurcation are induced by transient growth of the energy or receptivity of stable global modes. 3D optimal forcing structures are extracted to figure out the spatial distribution linked to the resonant pulsation. Perturbed direct numerical simulation reveals the pivotal role of the less steady global mode in the non-linear unsteadiness. A detailed analysis of the flowstructures is provided and linked to the involved linear mechanisms. Global feature of the eigenmode are linked to the presence of the separation zone behind the cylindrical roughness. By using miniaturized vortex generators the separation zone is suppressed and no isolated global modes are present. The flow dynamics turns out to be driven not only by roughness Reynolds number and geometrical aspect ratio but also by the ratio between the roughness height and the boundary layer thickens.


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  • Sous le titre : Subcritical and supercritical dynamics of incompressible flow over miniaturized roughness elements
  • Détails : 1 vol. (ix-171 p.)
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