Analyse des écoulements autour de structures en mouvement forcé de tangage : application à la propulsion instationnaire

Flow analysis around structures in forced pitching motion : application to unsteady propulsion

• Auteur / Autrice : Joseph Moubogha moubogha
• Direction : Jacques-André Astolfi, Uwe Ehrenstein
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 21/12/2018
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche de l'Ecole navale (Brest) - Institut de Recherche de l'Ecole Navale (EA 3634)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Eloy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques-André Astolfi, Uwe Ehrenstein, Annie-Claude Bayeul Lainé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves-Marie Scolan, Sylvain Guillou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vélocimétrie par images de particules

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Plaque en tangage

Poussée

Expérience

Piv

Simulation numérique

Pitching plate

Thrust

Experimente

Piv

Numerical simulation

Résumé

Le présent travail de thèse s’inscrit dans le contexte fondamental de la propulsion marine instationnaire. Il analyse les performances propulsives des profils de différents rapports d’aspects (envergure par rapport à la corde), en oscillation harmonique de tangage. On modélise la principale partie active d’un système propulsif naturel, tel une nageoire caudale de poisson, par des profils simples, minces et rigides quasiment identiques, à l’exception du rapport d’aspect très important du premier profil (4.8), dit bidimensionnel, et très faible du second (1/6), dit tridimensionnel. Le mouvement de tangage est imposé au tiers de corde, en partant du bord d’attaque des profils immergés dans un écoulement. L’objectif étant de faire varier le nombre de Strouhal, basé sur l’amplitude d’excursion totale du bord de fuite du profil, dans une gamme relativement faible et étroite, où évoluent plusieurs espèces aquatiques. Cette gamme est donc intéressante pour l’étude des systèmes propulsifs artificiels. L’aptitude à la propulsion a été déduite en analysant la structure de l’écoulement induit dans le sillage, et en déterminant l’effort réel exercé par le profil sur l’écoulement. En raison des effets importants de la traînée induite associée aux tourbillons marginaux et de ceux de la traînée visqueuse, inversement proportionnelle au rapport d’aspect, il apparait que les performances propulsives du profil tridimensionnel sont bien moindres que celles du profil bidimensionnel. L’influence des configurations du battement sur les performances propulsives a également été étudiée.

This thesis work is part of the fundamental context of unsteady marine propulsion. The propulsive performances of different aspect ratios (span to corde) profiles, in harmonic pitching motion are analyzed. The main active part of a natural propulsion system, such as a fish caudal fin, is modelled by simple, thin and rigid profiles that are almost identical, with the exception of the very high aspect ratio of the first profile (4.8), called two-dimensional, and very low aspect ratio of the second (1/6), called three-dimensional. The pitching motion is imposed on the third corde, starting from the leading edge of the profiles immersed in a flow. The objective is to vary the Strouhal number, based on the total excursion amplitude of the trailing edge of the profile, over a relatively small and narrow range, where several aquatic species evolve. This range is therefore interesting for the study of artificial propulsion systems. The propulsion capability was inferred by analyzing the structure of the induced flow in the wake, and by determining the actual force exerted by the profile on the flow. Due to the significant effects of the induced drag associated with marginal vortices and those of the viscous drag, inversely proportional to the aspect ratio, it appears that the propulsive performance of the three-dimensional profile is much lower than that of the two-dimensional profile. The influence of flapping parameters on propulsive performance has also been studied.