Dynamique souscritique et supercritique d'un écoulement incompressible autour d'éléments de micro-rugosité

par Michele alessandro Bucci

Projet de thèse en Génie énergétique


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

Thèses en préparation à Paris, ENSAM , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec DynFluid - Laboratoire de dynamique des fluides (laboratoire) depuis le 01-10-2014 .


  • Résumé

    Dans le secteur aéronautique, le récent besoin d'une forte réduction des émissions de dioxide de carbone a stimulé les ingénieurs et les scientifiques à trouver des solutions pour réduire la traînée. Une grosse partie de cette traînée est associée au frottement pariétal de la couche limite sur la surface de l'aile. Avec le but de réduire cette traînée, les ingénieurs essayent de produire des ailes dites laminaires qui soient capables de maintenir un écoulement laminaire sur une grande partie de leur surface en contrôlant la transition en utilisant des dispositifs de contrôle actifs ou passifs. Une profonde connaissance des mécanismes de déstabilisation de l'écoulement est alors nécessaire. Ce projet vise à étudier les mécanismes capables de retarder la transition, avec pour but final de la contrôler. En particulier, on étudiera l'écoulement sur une aile en flèche, similaire à celles couramment utilisées sur des avions modernes et caractérisées par une couche limite tridimensionnelle qui se développe sur sa surface. Cet écoulement est très complexe, car il est caractérisé par des instabilités de différents types. Une analyse globale des instabilités sera mise en œuvre afin d'être le plus général possible. Les méthodes d'instabilité globale, introduites récemment dans la recherche en dynamique des fluides, permettent d'effectuer des analyses d'instabilité pleinement tridimensionnelles, sans faire des suppositions or des hypothèses simplificatrices sur la forme de l'écoulement de base et de la forme des perturbations. Jusqu'à présent, très peu d'analyses d'instabilité globale pleinement tridimensionnelles peuvent être retrouvées dans la littérature, et le cas d'un écoulement sur une aile en flèche n'a pas encore été abordé. Dans ce projet, des méthodes d'instabilité globale seront utilisées pour effectuer une analyse d'instabilité pleinement tridimensionnelle, en régime linéaire et non linéaire, de l'écoulement sur une aile en flèche, avec pour objectif de déterminer quels mécanismes d'instabilité sont capables de déclencher une transition vers la turbulence. Le premier objectif sera d'étudier la dynamique transitoire et asymptotique afin de déterminer les principaux modes instables et les perturbations optimales qui dominent les premières phases de la transition. Le second objectif sera d'effectuer une analyse non linéaire de la croissance transitoire des perturbations sur l'écoulement saturé induit par les modes globaux instables afin de déterminer les principaux mécanismes d'instabilité qui caractérisent les dernières phases de la transition avant la turbulence. Des simulations numériques directes seront aussi utilisées afin de vérifier les prédictions des analyses d'instabilité, avec pour but de déterminer la réponse par réceptivité de l'écoulement à des perturbations environnementales. Au final, le contrôle de ces instabilités sera envisagé par une stratégie de contrôle passive ou active, la première utilisant des éléments de rugosité pariétale, la seconde basée sur des techniques de identification des systèmes, qui ont été très récemment appliquées pour la premier fois au problème du contrôle actif dans les écoulements cisaillés.

  • Titre traduit

    Subcritical and supercritical dynamics of incompressible flow over miniaturized roughness elements


  • Résumé

    In the aviation sector, the recent need for a reduction of the carbon dioxide emissions has stimulated engineers and researchers to find solutions to reduce the aircraft drag. It is known that a large part of such a drag is associated with the turbulent skin-friction of the boundary-layer on the wing surface. Thus, two main approaches can be used to reduce aircraft drag: i) the use of 'natural laminar flow wings', i.e., wings having profiles designed to keep the flow laminar on a large part of them; ii) the use of passive or active control devices to delay transition to turbulence. In both cases, a deep knowledge of the mechanisms leading the flow to turbulence is needed. Therefore, the proposed project grounds on both approaches, aiming at determining the mechanisms which induce transition to turbulence in a three-dimensional boundary-layer flow developing over a wing and finally control them. Such as the wings used on modern aircrafts, the considered wing will have a swept angle, inducing a three-dimensional boundary-layer flow on its surface, which is a complex flow characterized by several types of instabilities. This is a very complex flow, characterized by several types of instabilities. To study these instabilities and manage to control them, the project will rely on theoretical and numerical tools coming from the current research in the field of instability, transition and control. Recently, an important development has been seen in such research fields thanks to the introduction of global instability methods. Global instability methods, recently introduced in fluid dynamics research, allow performing a fully three-dimensional instability analysis, without making any assumption or simplifying hypothesis on the shape of the 'base' flow and of the perturbations superposed on it. Up to now, very few fully three-dimensional lobal instability analysis can be found in the literature, and the case of three-dimensional boundary-layer flows over an aircraft wing have never been tackled using such methods. In this project, global instability methods will be used to perform a fully three-dimensional, linear and non-linear instability analysis of the swept-wing flow, with the aim of determining which instability mechanisms among the others are the most likely to trigger transition towards turbulence. First, a global eigenvalue analysis will be performed with the aim of finding the eigenmodes and the optimal perturbations dominating the early phases of transition. Then, a linear or non-linear transient growth analysis will be performed on the saturated flow induced by the growing eigenmodes, in order to determine the instability mechanisms characterizing the late stages of transition. Direct numerical simulations could then be used to verify the predictions made by such an instability analysis, aiming at determining the response of the flow to ambient perturbations through receptivity mechanisms. Finally, to attain the final goal of controlling such instabilities, a control strategy will be set up, based on passive or active mechanisms (for instance, roughness elements in the previous case, closed-loop system identification techniques in the latter).