Contrôle d'écoulements dominés par la convection

Control of convection-dominated flows

• Auteur / Autrice : Fabien Juillet
• Direction : Patrick Huerre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Convection

Identification

Couche limite -- Contrôle

Mots clés libres

Instabilité

Flow control

Instabilité hydrodynamique

System identification

Résumé

Cette thèse s'intéresse à la mise en œuvre d'une technique de contrôle d'écoulements, d'un point de vue à la fois numérique et expérimental. L'objectif de cette technique est la réduction de perturbations au sein d'écoulements dominés par la convection. Dans ce but, trois aspects sont développés au sein d'un première partie. On observe tout d'abord que dans de tels systèmes l'information voyage essentiellement vers l'aval. Pour cette raison les perturbations doivent être mesurées le plus tôt possible, en plaçant les capteurs en amont. Cette idée intuitive est étudiée quantitativement en introduisant le concept de " longueur de visibilité ". Ensuite, une description de l'écoulement est obtenue à l'aide de technique d'identification de systèmes. Ces outils présentent l'avantage de construire des modèles en se fondant uniquement sur des données accessibles au sein d'une expérience. Enfin, une approche de contrôle du type feed-forward étant particulièrement appropriée pour ces écoulements, une comparaison théorique et numérique avec la théorie classique LQG (Linear Quadratic Gaussian) est menée. Dans une seconde partie, ces trois aspects sont pris en compte dans une procédure d'identification et de contrôle qui est simplifiée de manière à faciliter une mise en place expérimentale. En particulier, les réponses impulsionnelles du système sont identifiées puis utilisées directement dans le calcul de la loi de contrôle. Cette technique repose alors uniquement sur de simples minimisations par moindres carrés et présente l'avantage d'être fondée sur des quantités aux interprétations physiques claires, telles que des vitesses de convection ou des fréquences caractéristiques. Enfin, dans une dernière partie, la procédure est appliquée expérimentalement au contrôle de perturbations dans une écoulement de Poiseuille à Re =870. Dans cette expérience, l'amplitude du signal mesuré par un capteur objectif a pu être réduite de 45%.

In this thesis, a flow control procedure is developed numerically and is then implemented experimentally. The purpose of this procedure is to reduce the amplitude of perturbations in convection dominated flows. To design such a technique three aspects are analyzed in a first part. Since information in convection-dominated flows essentially travel downstream, incoming perturbations are better described by placing sensors upstream. This intuitive idea is studied quantitatively by introducing the concept of visibility length. In addition, a description of the flow dynamics is obtained using system identification techniques. These tools have the advantage of providing models based solely on experimentally accessible data and are therefore directly applicable to real flows. Finally, a feed-forward control approach is found to be most appropriate and a comparison with the classical linear quadratic gaussian technique is presented from numerical and theoretical point of views. In a second part, these three aspects are then taken into account in the design of a feed-forward identification and control procedure, which is then simplified to be more amenable to practical implementations in experiments. In particular, the system impulse responses are first identified, and are then directly used for the computation of the control law. Hence, the technique only relies on simple least-squares minimizations and has the advantage of manipulating quantities that have clear physical meanings, such as perturbation convective speeds and characteristic frequencies. Thus, in a last part, the control procedure is applied experimentally to the quenching of natural disturbances in a plane channel flow at Re = 870. Results show that the magnitude of the signal recorded by the objective sensor can be reduced by up to 45%.