Wind tunnel tests and fluid dynamics analyses of wake flows near blunt and streamlined bodies models at high reynolds numbers

Flores Salinas, Manuel (2023). Wind tunnel tests and fluid dynamics analyses of wake flows near blunt and streamlined bodies models at high reynolds numbers. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This PhD thesis presents three different research accomplishments, as summarized below.

Firstly, a new methodology is proposed to measure and analyze the flow characteristics near blunt bodies without introducing physical probes into the flow-field, which would alter the flow behavior. This methodology analyses the wake region of a “Ground Surveillance System” (Radar), with the aim to evaluate the turbulence intensity, drag coefficients, pressure distribution coefficients, and boundary layer separation. The numerical results obtained on the radar’s wake region showed periodic vortex shedding, boundary layer separation, high levels of turbulence, and induced drag; the nature of the adverse pressure gradient and the high turbulence intensity values at the radar surface needed a mechanism to reduce flow fluctuations and to allow the boundary layer increase.

Foils subjected to a fluid flowing axially from the free end towards the clamped-end, known as “inverted-foil” configurations, have been observed experimentally for large-amplitude flapping beyond a critical flow velocity. The motivation for further research on the dynamics of inverted-foils is due to its presence in nature and engineering. It was found from experimental results that, for foils with aspect ratio AR<1, the undeflected static equilibrium was stable prior to a sudden bifurcation. For foils with AR≥1, however, the undeflected stable static equilibrium was subjected to a slow bifurcation, associated with its buckling. Higher flow velocities generated a flapping motion around the deflected static equilibrium. At higher flow velocities, flapping motions are symmetric around the undeflected static equilibrium. Experiments with foils in a reverse axial flow were conducted in our Price- Païdoussis subsonic wind tunnel at ÉTS. Numerical results were validated with experimental results for parameters, such as the foils lengths (aspect ratios), flapping frequency and regime, Strouhal and Reynolds numbers, flapping amplitudes and forces for energy harvesting purposes.

The role of Unmanned Aerial System (UAS) operations has increased in recent years. A new multidisciplinary methodology is presented for the design, aerodynamic optimization, and model validation of an adaptive wing prototype. The research performed on the UAS-S45 focused on replacing the conventional rigid wing with an adaptive wing system capable of actively changing the wing's shape. The experimental and simulated results have shown a low drag production and a high lift-to-drag ratio of the adaptive wing prototype that translates into a reduction in fuel consumption and an increase in cruising flight range and therefore into climate improvement.

Titre traduit

Essais en soufflerie et analyses de la dynamique des fluides du sillage à proximité d’un corps non profilé et profilé à des écoulements à grand nombre de Reynolds

Résumé traduit

Cette thèse présente trois travaux de recherche qui se résument comme suit

Premièrement, une nouvelle méthodologie est proposée pour mesurer et analyser les caractéristiques du fluide à proximité d’un corps non-profilé sans introduire des capteurs dans le champ d'écoulement, car ils modifieraient le comportement de l'écoulement. Cette méthodologie analyse la région du sillage du “système de surveillance au sol” (radar) et évalue l'intensité de la turbulence, les coefficients de traînée, les coefficients de la pression de surface et la séparation de la couche limite. Les résultats numériques ont montré un détachement périodique de l’écoulement à la surface du radar, une séparation de la couche limite, des niveaux élevés de la turbulence et une augmentation de la traînée.

Des plaques flexibles, serrées à une extrémité et soumises à un fluide s'écoulant axialement, produisent des oscillations à grande amplitude. La motivation pour des recherches sur la dynamique des plaques flexibles est due à leur potentiel pour récupérer de l’énergie de l’environnement. Il a été constaté expérimentalement que pour les plaques de rapport de dimensions AR < 1, il y a un équilibre statique stable jusqu’à l’apparition d’un flambage soudain. Pour les plaques AR ≥ 1, il y a des oscillations qui apparaissent. À des vitesses d'écoulement plus grandes, les plaques ont des régimes d’oscillations variées et à des vitesses critiques, les plaques ont un régime d’oscillation périodique à une grande amplitude, produisant une grande quantité d’énergie. Les expériences ont été réalisées dans notre soufflerie subsonique Price-Païdoussis à l'ÉTS. Les résultats numériques ont été validés avec des résultats expérimentaux, tels que les rapports AR, la fréquence et le régime d’oscillations, les nombres de Strouhal et de Reynolds, les amplitudes d’oscillation et les forces produites par les plaques.

Le rôle des opérations des systèmes aériens sans pilote (UAS) a augmenté ces dernières années. De nouvelles connaissances multidisciplinaires sont présentées pour la conception, l'optimisation aérodynamique et la validation d'un prototype d'aile adaptative. Les recherches effectuées sur le système aérien sans pilote UAS-S45 se sont concentrées sur le remplacement de l'aile rigide par un système d'aile adaptatif capable de modifier activement la forme de l'aile. Les résultats expérimentaux et simulés ont montré une faible production de traînée et un rapport portance/traînée élevé du prototype d'aile adaptative qui se traduit par une réduction de la consommation de carburant et une augmentation de l'autonomie de vol en croisière et donc par une amélioration du climat.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 202-213).
Mots-clés libres:	aile déformable, turbulence, réduction de traînée, corps non-profilé, plaque, récupération de l’énergie de l’environnement, validation du modèle numérique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Botez, Ruxandra
Codirecteur:	Codirecteur Gauthier, Guy
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	25 oct. 2023 13:58
Dernière modification:	25 oct. 2023 13:58
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3298

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