Instabilités des tourbillons hélicoïdaux : application au sillage des rotors

• Auteur / Autrice : Hadrien Bolnot
• Direction : Stéphane Le Dizès, Thomas Leweke
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 20/12/2012
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : Peter Monkewitz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ivan Delbende

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sillage (aérodynamique)

Éoliennes

Rotors (hélicoptères)

Tourbillons (mécanique des fluides)

Mots clés libres

Dynamique tourbillonnaire

Tourbillons hélicoïdaux

Instabilité d'appariement

Sillage

Rotor

Hélicoptère

Eolienne

Vortex dynamics

Helical vortices

Pairing instability

Wake

Rotor

Vortex Ring State

Helicopter

Wind turbine

Résumé

Ce travail de thèse porte sur les propriétés de stabilité des tourbillons hélicoïdaux, structures que l'on retrouve notamment dans le sillage des rotors d'hélicoptères et d'éoliennes.Dans une première partie, le développement spatio-temporel de l'instabilité d'appariement est caractérisé à l'aide d'un code numérique pseudo-spectral pour une allée infinie d'anneaux tourbillonnaires. On montre que ce modèle axisymétrique d'écoulement est en effet une bonne approximation du système hélicoïdal dans la limite des grands rayons et petits pas d’hélice. Dans ces conditions, et en utilisant un adimensionnement judicieux, on obtient également que le résultat théorique pour le taux de croissance spatio-temporel obtenu pour une double allée de tourbillons ponctuels s’avère être une bonne prédiction pour le cas hélicoïdal.Dans une seconde partie, on décrit comment un ou plusieurs tourbillons hélicoïdaux ont pu être générés de façon très peu perturbée à l’aide de modèles réduits de rotors dans le canal hydrodynamique du laboratoire. Grâce à l’introduction de perturbations d’amplitudes et de fréquences soigneusement contrôlées, le taux de croissance de l’instabilité d’appariement a pu être mesuré et comparé aux résultats théoriques. L’évolution non linéaire de ces perturbations ainsi que d’autres modes instables, à plus petites longueurs d’onde, ont également pu être observés expérimentalement pour la première fois.Enfin, ces résultats ont été appliqués au cas des rotors d’hélicoptères pour la prédiction du régime de Vortex Ring State (VRS) et à la transition vers la turbulence du sillage des éoliennes.

This thesis is devoted to the stability properties of helical vortices, which are of interest for applications such as helicopter and wind turbine wakes.In a first part, the spatio-temporal development of the pairing instability is characterised for an infinite array of vortex rings, using a pseudo-spectral numerical code. We show that this axisymmetric flow model is indeed a good approximation of the helical system in the limit of large helix radius and small pitch. Under these assumptions, and by using appropriate dimensionless variables, we also show that the theoretical result concerning the spatio-temporal growth rate for a double row of point vortices represents a good prediction for the helical case.In a second part, we describe how one or several helical vortices were generated in a carefully controlled way using small-scale rotor models in the water channel of the laboratory. Introducing perturbations with well-defined amplitudes and frequencies, the growth rate of the pairing instability could be measured experimentally and compared to theoretical predictions. The non-linear evolution of these perturbations, as well as other unstable modes of smaller wavelengths, were also observed experimentally for the first time.Finally, these results were applied to helicopter wakes for the prediction of the Vortex Ring State (VRS) regime and to the transition to turbulence in wind turbine wakes.