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Contrôle en boucle ouverte des instationnarités de cavité en régime
transsonique
Sami Yamouni3e annéeDAFEBourse ONERA
Directeurs de thèse: Laurent Jacquin
Denis Sipp
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Contexte et objectifs scientifiques
Conséquences:
nuisances sonores, dommages structurels et électroniques,…
Problème aérodynamique
Objectifs de la thèse:• Améliorer la compréhension physique du phénomène de cavité• Le cylindre est un moyen de contrôle passif ayant prouvé son efficacité dans différentes études (*). L’objectif est l’interprétation physique de ce phénomène.
(*) Illy H., Jacquin L., Geffroy P., ‘Observations on the passive control of flow oscillations over a cavity in a transonic regime by means of a spanwise cylinder’, AIAA 2008.
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Influence de la compressibilité sur les modes globaux de cavité
Etude théorique : bas nombre de Reynolds
Etablissement d’une carte de sensibilité
Etude expérimentale : contrôle par petit cylindre à haut nombre de Reynolds
Plan
Simulation stationnaire (RANS)
Simulation instationnaire (URANS)
Analyses de stabilité
Analyse de la sensibilité
Etude numérique : simulation elsA de l’expérience
Conclusions & perspectives
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Influence de la compressibilité sur les modes globaux de cavité
Etude théorique : bas nombre de Reynolds
Etablissement d’une carte de sensibilité
Etude expérimentale : contrôle par petit cylindre à haut nombre de Reynolds
Plan
Simulation stationnaire (RANS)
Simulation instationnaire (URANS)
Analyses de stabilité
Analyse de la sensibilité
Etude numérique : simulation elsA de l’expérience
Conclusions & perspectives
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Étude de l’influence de la compressibilité sur les modes de cavité
Equation de navier Stokes compressible: )(qRqt
Vitesse longitudinal du champ de base à Mach=0.3
Analyse de stabilité linéaire:
),,(),(),,( 10 tyxqyxqtyxq
Champ de base Perturbation
Recherche des modes globaux des équations de Navier Stokes linéarisées autour du champ de base
Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives
Etude d’une cavité laminaire compressible: • L/D =1
• Re = 7500
• Mach = 0 à 0.9
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Str
ou
hal
taux d’amplification
Étude de l’influence de la compressibilité sur les modes de cavité
Spectre complet des modes instables
)65.01(
25.075.0
DL
M
StAcoustic
Un 2nd phénomène entre en jeu: la résonance acoustique (East 1966)
2
1
3
D
L
Ondes de pression
stationnaires
mode (vitesse longitudinale)
M=0.4
mode (densité)
Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives
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Étude de l’influence de la compressibilité sur les modes de cavité
Interaction des mécanismes de rétroaction acoustique ( Rossiter 1964) et de résonance acoustique (East 1966)
Trajectoires des modes obtenues par continuité
Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives
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Étude de l’influence de la compressibilité sur les modes de cavité
Trajectoires des modes obtenues par continuité
Interaction des mécanismes de rétroaction acoustique ( Rossiter 1964) et de résonance acoustique (East 1966)
Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives
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Étude de l’influence de la compressibilité sur les modes de cavité
COURBES DE RESONANCE ACOUSTIQUE
Conclusion: pour M0, l’évolution du taux d’amplification des instabilités de couche de mélange est liée au mécanisme de résonance acoustique.
Trajectoires des modes obtenues par continuité
Interaction des mécanismes de rétroaction acoustique ( Rossiter 1964) et de résonance acoustique (East 1966)
Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives
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Influence de la compressibilité sur les modes globaux de cavité
Etude théorique : bas nombre de Reynolds
Etablissement d’une carte de sensibilité
Etude expérimentale : contrôle par petit cylindre à haut nombre de Reynolds
Plan
Simulation stationnaire (RANS)
Simulation instationnaire (URANS)
Analyses de stabilité
Analyse de la sensibilité
Etude numérique : simulation elsA de l’expérience
Conclusions & perspectives
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Étude expérimentale
(*) Forestier N., Jacquin L., Geffroy P., ‘The mixing layer over a deep cavity at high-subsonic speed’, Journal of Fluid Mechanics 2003.
(*) Illy H., Jacquin L., Geffroy P., ‘Observations on the passive control of flow oscillations over a cavity in a transonic regime by means of a spanwise cylinder’, AIAA 2008.
Suite des études de Forestier (*) et Illy (**):• L/D = 0,42
• ReL = 860 000
• Mach = 0,755 (**)
• δ1 (x=-1mm) = 0,9mm
Contrôle passif : le cylindre
Photo de la cavité avec la sonde d’exploration de la couche limite
Explorateur (cylindre)
Sens du vent Sonde couche limite
d = 2,5mm
Géométrie: L = 50mm et D = 120mm
Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives
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Cas référence à M=0.755 (*)
Étude expérimentale
Spectre de pression du capteur central avalStrioscopie avec caméra rapide
(*) Illy H., Jacquin L., Geffroy P., ‘Observations on the passive control of flow oscillations over a cavity in a transonic regime by means of a spanwise cylinder’, AIAA 2008.
Sens du vent
Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives
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Étude expérimentale
Spectre de pression du capteur central avalStrioscopie avec caméra rapide
Carte de sensibilité
( X,Z ) = (-5;11) (en mm)
Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives
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Étude expérimentale
Spectre de pression du capteur central avalStrioscopie avec caméra rapide
( X,Z ) = (2.5;0) (en mm)
Carte de sensibilité
Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives
Démo:
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Étude expérimentale
Spectre de pression du capteur central avalStrioscopie avec caméra rapide
Contrôle plus en amont ?( X,Z ) = (15;0.5) (en mm)
Carte de sensibilité
Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives
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Étude expérimentale
Spectre de pression du capteur central avalStrioscopie avec caméra rapide
Contrôle loin en amont de la cavité
( X,Z ) = (-55;2) (en mm)
δ
Interaction avec la couche limite?
Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives
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Influence de la compressibilité sur les modes globaux de cavité
Etude théorique : bas nombre de Reynolds
Etablissement d’une carte de sensibilité
Etude expérimentale : contrôle par petit cylindre à haut nombre de Reynolds
Plan
Simulation stationnaire (RANS)
Simulation instationnaire (URANS)
Analyses de stabilité
Analyse de la sensibilité
Etude numérique : simulation elsA de l’expérience
Conclusions & perspectives
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Champ de vitesse longitudinal du champ de base
Simulation stationnaire (elsA)
• L/D = 0,42
• ReL = 860 000
• Mach = 0,8 (* )
• δ1 (x=0mm) ≈ 0,23mm
• Δy+ ≈ 1
Caractéristiques de la simulation:
Simulation à haut Reynolds → Utilisation d’un modèle de turbulence (k-ω Wilcox)
(*) Forestier N., Jacquin L., Geffroy P., ‘The mixing layer over a deep cavity at high-subsonic speed’, Journal of Fluid Mechanics 2003.
Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives
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Simulation instationnaire (elsA)
Analyse reproduisant convenablement les résultats expérimentaux (signal pression, nombre de structures dans la couche de mélange, …)
Études de stabilité et de sensibilité envisageable…
Simulation numérique URANS du gradient de pression.
p_experience
p_simulation
101 102 103 104 105 106
110
120
130
140
150
160
170
180
f
SP
L (
dB)
Comparaison des spectres du capteur de pression situé au bord aval de la cavité entre l’expérience (en noir) et la
simulation (en bleu).
≈2kHz
Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives
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Analyses de stabilité
Etudes réalisées en collaboration avec C. Mettot, doctorant au DAFE.
Comparaison des fréquences des modes instables obtenus lors de la simulation (symboles), avec les fréquences des
pics de la simulation instationnaire (pointillés).
Champ de densité du mode le plus amplifié (cercle rouge sur la figure de gauche).
Étude stabilité linéaire autour du champ RANS convergé
Démarche similaire à celle menée dans l’étude théorique
Il y a correspondance entre les fréquences des modes instables et les résultats de l’étude instationnaire.
Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives
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Analyse de sensibilité
Etude de la sensibilité des valeurs propres à une modification du champ de base
Sensibilité expérimentale
Sensibilité numérique par rapport à un champ
de force
Etudes réalisées en collaboration avec C. Mettot, doctorant au DAFE.
F
Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives
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Influence de la compressibilité sur les modes globaux de cavité
Etude théorique : bas nombre de Reynolds
Etablissement d’une carte de sensibilité
Etude expérimentale : contrôle par petit cylindre à haut nombre de Reynolds
Plan
Simulation stationnaire (RANS)
Simulation instationnaire (URANS)
Analyses de stabilité
Analyse de la sensibilité
Etude numérique : simulation elsA de l’expérience
Conclusions & perspectives
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Conclusions et perspectives
• État d’avancement:• Étude théorique: en cours de publication …• Étude expérimentale: première carte de sensibilité faite.• Étude numérique: études stationnaire, instationnaire et de stabilité bien
avancées.
• A venir…• Mesures PIV • Variation de la sensibilité avec le nombre de Mach: carte de sensibilité à
M=0.7)• Comparaison zone de sensibilité expé ↔ simulation elsA• Scénario pour l’interprétation du rôle du cylindre dans le contrôle
des instationnarités.
Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives
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Publications et modules de formation
• Conférence 2011:• Congrès Français de Mécanique à Besançon, Août 2011
‘Stabilité d’un écoulement de cavité ouverte en régime compressible’• Journée de Dynamique des Fluides du Plateau, Novembre 2011
‘Influence of the Mach number on the cavity dynamics’
• Conférence prévue pour 2012:European Fluid Mechanics Conference , Rome, Sept 2012
• Publications:‘Effect of the compressibility on the global stability of a cavity flow’ S.Yamouni, D. Sipp,
L. Jacquin, en préparation pour Physics of Fluids.
• Module de formation:Rédaction du mémoire de thèse, du 5 au 7 octobre 2011.
Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives
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To be continued…