Contrôle bio-inspiré d’un sillage turbulent par stratégie passive ou auto-adaptative

Bio-inspired flow control of a turbulent wake by means of passive and self-adaptive strategies

• Auteur / Autrice : Audrey Feuvrier
• Direction : Azeddine Kourta
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 17/09/2015
• 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 : Jean-Paul Bonnet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Azeddine Kourta, Jean-Paul Bonnet, Marianna Braza, Sedat Tardu, Jean-Luc Aider, Nicolas Mazellier, Yu Zhou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marianna Braza, Sedat Tardu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence de sillage

Décollement des écoulements

Aérodynamique

Mots clés libres

Aérodynamique

Contrôle d’écoulements

Contrôle auto-adaptatif

Biomimétique

Corps épais

Cylindre carré

Expériences en soufflerie

Aerodynamics

Flow control

Self-adaptive control

Biomimetism

Bluff body

Square cylinder

Wind tunnel experiments

Résumé

Les décollements autour d’un corps en mouvement sont à l’origine de détériorations des performances aérodynamiques, de fatigues structurelles ou de nuisances sonores. La compréhension de ces phénomènes reste encore aujourd’hui l’un des enjeux majeurs de la recherche en aérodynamique. Le développement de systèmes permettant de contrôler l’écoulement et d’altérer ou de réduire les décollements apparaît comme une solution prometteuse en vue d’améliorer les performances aérodynamiques. On distingue les systèmes de contrôles passifs, simples d’utilisation mais incapables de s’adapter aux modifications de l’écoulement, des systèmes actifs qui disposent d’une grande adaptabilité mais nécessitent un apport extérieur d’énergie pour fonctionner. La stratégie du contrôle auto-adaptif s’apparente à un compromis entre ces deux méthodes. En s’inspirant de mécanismes présents dans la nature, elle permet d’associer amélioration des performances aérodynamiques, adaptabilité et autonomie. Ce travail de thèse porte sur l’étude expérimentale du contrôle du sillage turbulent d’un corps épais à l’aide d’actionneurs bio-inspirés avec un double objectif : i. déterminer les paramètres optimaux du dispositif de contrôle qui prend la forme d’un couple de volets flexibles, ii. Identifier les mécanismes physiques d’interactions entre l’actionnement et l’écoulement. Pour mener à bien cet objectif, de nombreux instruments de mesure complémentaires ont été mis en oeuvre. Une étude paramétrique a permis de démontrer l’efficacité du dispositif pour différentes configurations (fixes et auto-adaptatives) et d’identifier des configurations d’intérêt. La caractérisation de l’écoulement autour et dans le sillage du cylindre carré sans et avec contrôle a révélé un allongement de la longueur de recirculation à l’arrière du cylindre et la réduction de l’expansion du sillage. L’un des résultats majeurs de l’étude est que la réduction de traînée obtenue est principalement liée à une action du système sur l’anisotropie des fluctuations de l’écoulement et plus particulièrement sur l’entrainement du fluide dans le sillage de l’obstacle.

Flow separations around moving bodies lead to detrimental effects such as aerodynamic performances loss, structural fatigue and noises production. The understanding of these phenomena remains one of the most challenging issue of modern fluid dynamics. A promising solution to improve aerodynamic performances relies on the development of flow control devices able to prevent or mitigate the effects of separation. One can distinguish the passive flow control strategy, with easy to use devices but unable to adapt to the flow changes, from the active flow control strategy which benefits from a great adaptability but requires external power supply. Self-adaptive flow control appears to be a good compromise between those two strategies. Inspired from mechanisms at play in Nature, it combines good aerodynamic performances, self-adaptability and self-sustainability. This PhD thesis is dedicated to the experimental investigation of the turbulent flow over a bluff-body controlled by means of bio-inspired devices. The objective is two-folds : i. Design the control device which consists of a couple of compliant flaps, ii. Identify the physical mechanisms governing the interactions between the flow and the devices. A great number of complementary measurement techniques have been used in order to achieve these objectives. The efficiency of the devices for different configurations – locked and self-adaptive flaps - has been demonstrated through a parametric study. It has led to the identification of the main parameters involved in the control mechanism. The flow characterization around and in the wake of both uncontrolled and controlled cylinder revealed an increase in the length of the recirculation region and the reduction of the wake width. One of the major findings of this study is that the control essentially modifies the turbulent velocity field leading to a reduction of the lateral flow entrainment in the wake of the obstacle.