Instabilities in a swirling rotor wake

par Hugo Quaranta

Thèse de doctorat en Mécanique et physique des fluides

Sous la direction de Thomas Leweke, Stéphane Le Dizès et de Laurent Sudre.

Le président du jury était Laurent Jacquin.

Le jury était composé de Jens Nørkær Sørensen.

Les rapporteurs étaient Sandrine Aubrun, Maurice Rossi.

  • Titre traduit

    Instabilités d'un sillage tourbillonnaire de rotor


  • Résumé

    Cette thèse est consacrée à l'étude des instabilités du sillage tourbillonnaire des rotors, largement utilisés dans l'industrie pour la conversion d'énergie mécanique. Leur sillage peut être modélisé par un ensemble de vortex hélicoïdaux entrelacés, au sein duquel de nombreuses instabilités peuvent émerger. Ces mécanismes ont un impact significatif sur l'évolution intermédiaire du sillage et peuvent influencer les performances du rotor. Ce travail, plus particulièrement dédié aux hélicoptères, s'est tout d'abord attaché à caractériser expérimentalement l'écoulement derrière trois rotors conçus pour des régimes de vols différents. Ces conditions de bases ont ensuite servi à étudier les différents modes instables de grande longueur d'onde pouvant apparaître dans le sillage. Une bonne correspondance est trouvée entre les prédictions théoriques et les mesures expérimentales des taux de croissance associés. Une rapide analyse de l'évolution spatio-temporelle de ces perturbations a permis d'étudier la propagation d'une perturbation localisée dans le plan rotor. Il est en effet envisagé que dans certaines configurations de vol de descente, les instabilités provoquent la transition du sillage vers un état spécifique connu sous le nom d'état d'anneau tourbillonnaire, potentiellement dangereux pour l'appareil. Il se caractérise par une stagnation du sillage au voisinage du plan rotor qui en dégrade les performances.


  • Résumé

    This work studies the instabilities associated with the wake of a rotor. These devices are used in many applications such as energy harvesting or propulsion,and their optimisation is crucial for both industry and the environment. The wakebehind a rotor is broadly defined as a system of interlaced helical vortices, whose dynamics governs the transition from the near-wake to the far-wake regime. In our first study, we investigate the wake behind different small-scale rotors in their design operating condition. We use the resulting flows in a subsequent linear stability analysis, aiming at predicting long-wavelength instability modes in the helical vortex. We find that the theoretical prediction of the modes growth-rates matches our experimental measurements. We also show that the dynamics of helical vortex filaments can be predicted from simple two-dimensional theory. In more critical flow configurations, instabilities are suspected to promote the transition to hazardous regimes such as the so called Vortex-Ring State, characterised by large-scale recirculating structures.The second part of this work is thus dedicated to the spatio-temporal evolution of localised perturbations in the rotor plane, and their potential tendency to propagate upstream in the flow.

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