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Instationnarités dans une bulle de décollement turbulente : étude expérimentale

Mohammed-Taifour, Abdelouahab (2017). Instationnarités dans une bulle de décollement turbulente : étude expérimentale. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La dynamique d’un écoulement turbulent massivement décollé ou bulle de décollement turbulente (TSB) dont le décollement est provoqué par l’imposition d’une succession de gradients de pression adverse et favorable sur une plaque plane a été étudiée expérimentalement. Cette étude est réalisée dans une soufflerie aérodynamique subsonique à circuit ouvert en utilisant plusieurs moyens de mesures, à savoir l’anémométrie à fil chaud, des capteurs de pression piézorésistifs et la vélocimétrie par images de particules (PIV). La vitesse de l’écoulement potentiel à l’infini amont est de 25 m/s et le nombre de Reynolds construit avec l’épaisseur de quantité de mouvement de la couche limite en amont du point de décollement est de Reθ =∼ 5000.

La dynamique de la TSB a été analysée en se basant essentiellement sur les densités spectrales de puissance et les fonctions de corrélations des fluctuations de pression et de vitesse issues des mesures ponctuelles ainsi que la décomposition orthogonale en modes propres (POD) des champs de vitesse mesurés par PIV. Cette dynamique, dans laquelle deux phénomènes associés à des échelles temporelles distinctes prennent place, est bi-modale. Ces deux phénomènes sont relatifs au mouvement global de la TSB à basse fréquence et induisant de fortes variations de sa taille instantanée, et au mouvement convectif des structures cohérentes (CS) de la couche de cisaillement englobant la TSB et leur lâcher pseudo-périodique à moyenne fréquence. Le premier mode POD, contenant ∼ 30% de l’énergie totale, a été associé au mouvement global de la TSB. Lorsqu’il est utilisé pour construire un modèle réduit de l’écoulement, il décrit les cycles de contraction / dilatation de la TSB, dénommés mouvement de respiration. Ce mouvement provoque des changement de la longueur de la TSB allant à ∼ 90% de sa longueur moyenne et conduit à des fluctuations de pression à basse fréquence qui sont observées principalement en amont du point de décollement et en aval du point de recollement. Les mécanismes physiques établis pour d’autres types de la TSB et pouvant piloter ce mouvement ont été discutés, néanmoins aucun d’entre eux ne semble vraisemblable dans la présente configuration de TSB. Le mode de lâcher tourbillonnaire est associé à une fréquence qui, lorsqu’elle est normalisée par l’épaisseur de vorticité et la vitesse de convection des structures, résulte en une fréquence réduite en très bonne concordance avec celle obtenue dans une couche de mélange plane. La couche de cisaillement se développe en grande partie en amont du point de décollement moyen via un processus similaire à celui observé dans une couche de mélange plane.

Titre traduit

Unsteadiness in a large turbulent separation bubble : experimental study

Résumé traduit

The unsteady behaviour of a massively separated, pressure-induced, turbulent separation bubble (TSB) is investigated experimentally using constant voltage Hot-Wire Anemometer, high-speed Particle-Image Velocimetry (PIV) and piezo-resistive pressure sensors. The TSB is generated on a flat test surface by a combination of adverse and favorable pressure gradients in the test section of a low-speed, blow-down wind tunnel. The Reynolds number based on the momentum thickness of the incoming boundary layer is about 5000 and the free-stream velocity is 25 m/s.

The unsteady behaviour of the TSB was mainly analysed by computing power spectral density and correlation coefficient of the single and two-points velocity and pressure fluctuation measurements. Furthermore, proper orthogonal decomposition (POD) was used, on velocity fields measured by PIV, to separate the different scales in the flow in different unsteady modes. The dynamic of the TSB was found to be bimodal and in which two separate time-dépendent phenomena take place : a low-frequency global motion, which is responsible for a large variation in TSB instantaneous size, and a medium-frequency unsteadiness, which is linked to the convection of large-scale vortices in the shear layer bounding the recirculation zone and their pseudo-periodic shedding downstream of the TSB. The first POD mode contains about 30% of the total kinetic energy and is shown to describe a low-frequency contraction and expansion cycles, called breathing, of the TSB. This breathing is responsible for a variation in TSB size of approximately 90% of its average length and generates low-frequency wall-pressure fluctuations that are mainly felt upstream of the mean detachment and downstream of the mean reattachment. Possible mechanisms of the breathing motion were discussed based on those formulated for other types of TSB, however, none of them seems likely to explain the breathing in the current TSB configuration. The shedding mode is associated with a central frequency that when scaled with the vorticity thickness of the shear layer and the convection velocity of the structures, it was shown to be very close to the characteristic frequency of vortices convected in turbulent mixing layers. The shear layer develops mainly upstream of the mean detachment via a process similar to that observed in a mixing-layer flow.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 193-209.
Mots-clés libres: Écoulement instationnaire (Dynamique des fluides) Modèles mathématiques. Couche limite turbulente Modèles mathématiques. Souffleries aérodynamiques Écoulement Visualisation. Essais en soufflerie aérodynamique. bulle de décollement turbulente, instationnarités, mécanismes instationnaires, dynamique bi-modale
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Weiss, Julien
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 08 mai 2017 17:25
Dernière modification: 08 mai 2017 17:25
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1881

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