Caractérisation d’un décollement turbulent sur une rampe : entraînement et lois d’échelle

Characterisation of a turbulent separation over a ramp : entrainment and scaling laws

• Auteur / Autrice : Francesco Stella
• Direction : Azeddine Kourta
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 24/11/2017
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (2012-.... ; Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (Orléans ; 2008-....)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Borée
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Azeddine Kourta, Jacques Borée, Olivier Cadot, Luminita Danaila, Jean-Pierre Rosenblum, Nicolas Mazellier, Eric Garnier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Cadot, Luminita Danaila

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lois d'échelle (physique)

Écoulement cisaillé

Décollement des écoulements

Turbulence

Plans inclinés

Mots clés libres

Décollement turbulent

Couche cisaillée décollée

Entraînement

Lois d’échelle

Turbulent separation

Separated shear layer

Entrainment

Scaling laws

Résumé

Les décollements turbulents massifs sont des phénomènes communs qui peuvent causer des pertes et de nuisances aérodynamiques importantes dans les écoulements industriels, par exemple à l’arrière d’une aile d’avion. Ce travail contribue à leur compréhension par l’analyse phénoménologique d’un décollement turbulent, représentatif d’un grand nombre d’écoulements réels. Le premier objectif est d’identifier les lois d’échelle des décollements turbulents, notamment en rapport avec les caractéristiques de l’écoulement à l’amont de la rampe. Un deuxième objectif est l’analyse, à grande et à petite échelle, des mécanismes de transport de fluide qui pilotent le fonctionnement des décollements. A cet effet, une approche originale est proposée, basée sur une description expérimentale et analytique de la couche cisaillée décollée et des interfaces turbulentes qui la délimitent. Nos résultats suggèrent que les lois d’échelle du décollement varient de façon complexe selon l’interaction de la couche limite à l’amont, de la couche cisaillée et de l’écoulement potentiel extérieur. La taille du décollement est liée à l’intensité de l’entraînement turbulent de masse dans la couche cisaillée, qui à son tour dépend de la turbulence dans la couche limite, bien à l’amont du point de décollement. Cette dépendance pourrait s’appliquer à toute la gamme d’échelles turbulentes responsables du transport de masse. Ces observations montrent clairement le rôle de la couche cisaillée dans le fonctionnement des décollements massifs et suggèrent la faisabilité de stratégies de contrôle nouvelles, de type retro-action ou prédictif, basée sur l’entrainement turbulent.

Massive turbulent separations are common phenomena that can cause sizeable aerodynamical losses and detrimental effects in industrial flows, for example on airplane wings. This work contributes to their understanding with a phenomenological analysis of a canonical turbulent separation, representative of a large number of real flows. The first objective is to identify the scaling laws of turbulent separations, in particular with respect to their dependencies on the characteristics of the flow upstream of the ramp. A second objective is the analysis, both at large and small scale, of the transfert mechanisms that drive the functioning of separated flows. To this end, a new approach is proposed, centered on the experimental and analytical description of the separated shear layer and of the turbulent interfaces that bound it. Our results suggest that the scaling laws of the separated flow vary in a complex way, in function of the interaction of the incoming boundary layer, the separated shear layer and the free-stream. The size of the separation is related to the intensity of turbulent mass entrainment within the shear layer, which in turn depends on the turbulence in the incoming boundary layer, well upstream of the separation point. This dependency might apply over the entire range of turbulent length scales that are responsible for mass transfer. These observations clearly show the role of the shear layer in the functioning of massive separation. They also suggest the feasibility of new control strategies, both of feedback and feed-forward type, based on turbulent entrainment.