Etude expérimentale des décollements provoqués par une paroi courbe : topologie et évolution spatio-temporelle

Experimental study of flow separation on rounded front edges : Topology and spatiotemporal evolution

• Auteur / Autrice : Sébastien Courtine
• Direction : Andreas Spohn, Jean-Paul Bonnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et aéronautique (Poitiers1992-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement tridimensionnel

Couche limite laminaire

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Expériences

Décollement des écoulements

Résumé

Ce travail expérimental est consacré à l’étude des décollements sur la partie frontale de corps émoussés. Une attention particulière est portée à l’influence du rayon de courbure et de l’allongement de la partie frontale du corps sur l’allure de l’écoulement dans la zone décollée. Les expériences sont réalisées dans un tunnel hydraulique avec une maquette à géométrie modulable permettant de varier d’une manière indépendante le rayon de courbure et l’allongement de la surface frontale du corps émoussé. Des visualisations par électrolyse d’étain et bulles d’hydroge��ne montrent des aspects qualitatifs de la topologie de l’écoulement dans la zone décollée, tandis que des mesures par film chaud et PIV donnent des informations quantitatives sur la dynamique. Les observations montrent un changement radical de la topologie de la zone de décollement passant d’une structure tridimensionnelle avec foyers de séparation à une structure bidimensionnelle pour les faibles rayons de courbure. Ce changement coïncide avec la limite de validité de la théorie asymptotique de Sychev. L’analyse de la dynamique du sillage souligne l’importance de l’allongement de la surface frontale sur l’évolution spatio-temporelle de la zone décollée. A faible allongement les instabilités de Kelvin-Helmholtz et les tourbillons issus des foyers de séparation interagissent et donnent naissance à des éjections périodiques, tandis qu’à grand allongement des instabilités secondaires provoquent une topologie complexe de l’écoulement instationnaire dans la zone de rattachement. Ces résultats semblent indiquer que la longueur de rattachement moyenne, souvent utilisée pour caractériser la zone de décollement, n’est pas une quantité adaptée à cet effet.

Flow separations caused by rounded front edges of bluff bodies are studied experimentally. In particular the influence of the front edge curvature and the aspect ratio of the front section are investigated in detail. The experiments are carried out in a water tunnel using a modular flow model which allows varying the front edge radius and the aspect ratio independently. Visualisations by electrolytic precipitation of tin and by hydrogen bubbles show qualitative aspects of the flow topology in the separated region, whereas hot-film and PIV measurements provide quantitative information on the flow dynamics. All observations indicate a crucial change of the flow topology, which for increasing curvatures evolves from a three-dimensional with separation foci towards a two-dimensional structure. This topological change agrees with the limit of validity of Sychev’s asymptotical theory. The dynamical analysis of the wake points out the significance of the aspect ratio of the front section aspect ratio on the evolution in time and space of the separated flow region. With low aspect ratios there is an interaction between Kelvin-Helmholtz instabilities and vortices emerging from the separation foci leading to periodical ejections of fluid in the wake, whereas large aspect ratios cause a complicated topology of the reattaching flow. These results seem to indicate that the mean reattachment length, although largely used to characterize the separated flow region, is not a relevant quantity for this purpose.