Reconstruction of turbulent velocity fields from punctual measurements
Reconstruction de champs aérodynamiques à partir de mesures ponctuelles
Résumé
Real time monitoring of turbulent flows is a challenging task that concerns a large range of applications. Evaluating wake vortices around the approach runway of an airport, in order to optimize the distance between lined-up aircraft, is an example. Another one touches to the broad subject of active flow control. In aerodynamic, control of detached flows is an essential issue. Such a control can serve to reduce noise produced by airplanes, or improve their aerodynamic performances. This work aims at developing tools to produce real time prediction of turbulent velocity fields from a small number of punctual sensors. After a literature review focused on a popular reconstruction method in fluid mechanics, the Stochastic Estimation (SE), the first step was to evaluate its overall prediction performances on several turbulent flows of gradual complexity. The accuracy of the SE being very limited in some cases, a deeper characterization of the method was performed. The filtering effect of the SE in terms of spatial and temporal content was particularly highlighted. This characterization pointed out the strong influence of the sensor locations on the estimation quality. Therefore, a sensor location optimization algorithm was proposed and extended to the choice of time delays when using Multi-Time-Delay SE. While using optimized locations for the sensors hold some accuracy improvements, they were still insufficient for some test cases. The opportunity to use a data assimilation method, the Kalman filter that combines a dynamic model of the flow with sensor information, was investigated. For some cases, the results were promising and the Kalman filter outperforms all SE methods.
Le suivi en temps réel des écoulements turbulents est une tâche difficile ayant des applications dans de nombreux domaines. Un exemple est la mesure des tourbillons de sillage au niveau des pistes d’aéroports afin d’optimiser la distance entre les avions en phase d’approche ou de décollage. Un autre exemple se rapporte au contrôle actif d’écoulements. De tels contrôles peuvent servir à réduire le bruit des avions... Cette thèse vise à développer des outils afin d’estimer en temps réel des champs de vitesse d’écoulements turbulents à partir d’un faible nombre de mesures ponctuelles. Après une étude bibliographique centrée sur une méthode de reconstruction populaire, l’estimation stochastique (SE), ses performances sont évaluées pour la prédiction de champs de vitesse issus d’écoulements de complexité croissante. La précision des estimations obtenues étant très faibles dans certains cas, une analyse précise de la méthode est effectuée. Celle-ci a montré l’effet filtrant de la SE sur le contenu spatial et temporel des champs de vitesse. De plus, le fort impact de la position des capteurs a été mis en avant. C’est pourquoi un algorithme d’optimisation de la position des capteurs est ensuite présenté. Bien que l’optimisation de la position des capteurs mène à une amélioration de la précision des prédictions obtenues par SE, elle reste néanmoins très faible pour certains cas tests. L’utilisation d’une technique issue du domaine de l’assimilation de données, le filtre de Kalman qui combine un modèle dynamique de l’écoulement avec les mesures, a donc été étudiée. Pour certains écoulements, le filtre de Kalman permet d’obtenir des prédictions plus précises que la SE.
Origine : Version validée par le jury (STAR)