Étude expérimentale d’une famille de bulbes de décollement turbulents

Le Floc'h, Arnaud (2021). Étude expérimentale d’une famille de bulbes de décollement turbulents. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’analyse comparative des mesures en pression et en vitesse de trois géométries similaires mais de tailles différentes de bulbes de décollement turbulents induits par gradient de pression sur une plaque plane à Reo= 5 000 a été menée dans le cadre d’un montage expérimental dans une soufflerie à couche limite. Les topologies de chacun des bulbes, grand massivement décollé, moyen faiblement décollé et petit sans recirculation moyenne ont été comparées aux principaux cas de la littérature. Le bulbe moyen a de plus fait l’objet d’une campagne de mesures PIV dans l’axe transverse afin de déterminer la nature 2D de l’écoulement.

Le comportement instationnaire associé au bulbe de décollement est double : d’abord, un mouvement convectif de lâcher tourbillonnaire à moyenne fréquence fait consensus dans la littérature en dynamique des fluides, tant en expérimental que dans les simulations numériques, pour relier ce phénomène aux instabilités de type Kelvin-Helmholtz qui s’observent typiquement dans le cas d’une couche de mélange plane. La thèse porte surtout sur une seconde instationnarité basse fréquence qui est associée à des cycles d’expansion et de contraction du bulbe qui provoquent une variation significative de la zone de recirculation instantanée et une oscillation marquée des points de décollement et de recollement, analogue à une respiration. L’origine reste à ce jour mal comprise, et le sens physique à donner à un tel phénomène est encore débattu, au vu de la grande disparité des résultats expérimentaux et numériques qui sont à réconcilier.

Des informations importantes sur la physique de l’écoulement ont été obtenues, au premier rang desquelles le phénomène de la respiration se caractérise comme étant un problème spatio-temporel qui traduit l’amplification de très larges structures (VLSM), inactives selon le paradigme de Townsend, et qui sont déjà présentes dans la couche limite amont à gradient de pression nul (ZPG). La signature par quadrants des mouvements aux grandes échelles des couches limites ZPG est la même que celle de la respiration pour un bulbe de décollement avec des cycles de balayage (Q4inactif) et d’éjection (Q2inactif ), qui sont responsables du mouvement de contraction et d’expansion du bulbe, respectivement. La respiration se présente de fait comme un cycle de bursting ZPG ayant été amplifié, ce dont s’occupe le gradient de pression adverse qui contribue alors fortement au mouvement actif avec la composante verticale de vitesse et fabrique des tourbillons quasi-longitudinaux plus grands. L’effet dual des parties active (APG) et inactive (respiration) se superpose dans la production du premier pic de la distribution longitudinale de la pression fluctuante cp. L’analyse des règles de rapport d’échelle des fluctuations de pression avec les contraintes de Reynolds ont révélé une contribution de la basse fréquence qu’il est important de prendre en compte.

D’un point de vue structurel, les cycles de régénération des grappes tourbillonnaires actives (LSM) qui engendrent un large streak inactif (VLSM), qui se met à osciller puis se brise avant de reformer un nouveau LSM constituent l’image la plus probable de la respiration et s’inscrit dans le modèle du tourbillon attaché de Townsend. Selon que la partie inactive des grandes échelles en ZPG sera suffisamment développée ou non, on classifie dans trois groupes possibles la manifestation de la basse-fréquence respectivement sur les oscillations du décollement et du recollement : (1) mobile-mobile, (2) fixe-mobile et (3) fixe-fixe. Afin de pouvoir reproduire la respiration, la partie inactive doit donc être prise en compte correctement. Enfin, l’activité des structures cohérentes liées à l’instabilité de Kelvin-Helmholtz suggère que la respiration et le lâcher tourbillonnaire n’ont pas une origine commune, mais qu’il existe plutôt une modulation de l’activité tourbillonnaire causée par la basse-fréquence qui se fait ressentir de manière globale sur toute la zone décollée.

Titre traduit

Experimental analysis in a family of turbulent separation bubbles

Résumé traduit

A comparative analysis of pressure and velocity measurements of three very different turbulent separation bubble geometries, induced by pressure gradient on a flat plate at Reo=5 000, was conducted within the framework of an experimental set-up in a boundary layer wind tunnel. A large, massively separated bubble, a medium-size with shorter recirculation region and a small one with no mean backflow are the focus of this experimental campaign using PIV and pressure measurements. Both horizontal and vertical PIV measurements are performed on the medium geometry with the intent to document the spanwise scales at stake in the flow.

The unsteady behavior associated with the separation bubble is two-fold : first, a convective movement of the release of medium-frequency vortices is widely known in the literature in the field of fluid mechanics, in experimental as well as in numerical simulations, and is linked to the phenomenon of Kelvin-Helmholtz type instabilities which can typically be found in the case of a flat plane mixing layer. The second instability is associated with the cycles of bubble expansion and contraction, which causes a significant variation in the zone of active recirculation. This clear oscillation of the detachment and reattachment points, analogous to a breathing motion, is to this day poorly understood, and the physical meaning of the phenomenon is still being debated, seeing the large disparity of experimental and numerical results which need to be reconciled.

Some important information on the physics of the flow were obtained, most importantly that the breathing phenomenon is characterized as a spatio-temporal problem, which manifests as an amplification of very large structures (VLSM), inactive according to the Townsend paradigm, and which are already present in the upstream boundary layer at zero pressure gradient (ZPG).

The signature of quadrants of large scale mouvements in ZPG boundary layers is the same as that of a breathing motion for a detached bubble : the cycles of sweeping (Q4inactif) and ejection (Q2inactif), which resemble longitudinal structures at high and low velocities, are associated with the movement of bubble contraction and expansion respectively.

The breathing motion presents itself as an amplified ZPG bursting cycle, further amplified by the adverse pressure gradient which contributes strongly to the active motion with a vertical velocity component and creates quasi-longitudinal large vortices. The dual affect of the active motion (APG) and inactive motion (breathing) are superimposed in the creation of the first spike of cp. The cycles of regeneration of active vortex clusters (LSM) which generate a larger inactive streak (VLSM), then starts oscillating before breaking and reforming an LSM. This constitutes a probable image of breathing and is part of the attached vortex model by Townsend (1976). Depending on whether the inactive part of the large scale is developed enough or not, we categorize the low-frequency detachment and reattachment into three possible groups : (1) mobile-mobile, (2) fixed-mobile, and (3) fixed-fixed. In order to reproduce the breathing motion, the inactive part must therefore be properly taken into account.

Finally, the activity of the coherent structures tied to the Kelvin-Helholtz instability suggests that the breathing motion and the release of spanwise vortices do not have a common origin, but rather suggests a modulation of the vortex shedding caused by the low-frequency which is felt globally in the entire detached region.

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". Comprend des références bibliographiques (pages 303-319).
Mots-clés libres:	bulbe de décollement turbulent, mesures PIV, S-POD, règles de rapport d’échelle, mécanisme de respiration
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Weiss, Julien
Codirecteur:	Codirecteur Dufresne, Louis
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	07 févr. 2022 19:21
Dernière modification:	07 févr. 2022 19:21
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2877

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