Contrôle en boucle ouverte des instationnaités de cavité en régime

transsonique

Sami Yamouni2e annéeDAFEBourse ONERA

Directeurs de thèse: Laurent Jacquin

Denis Sipp

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Plan

• Introduction au problème• Contexte • Objectifs scientifiques

• Démarche et déroulement de la thèse• Étude bibliographique: propriétés physiques d’un écoulement de cavité• Simulation URANS elsA• Analyse théorique de l’influence de la compressibilité sur les modes de cavité• Etude expérimentale

• Conclusions et perspectives

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Plan

• Introduction au problème• Contexte

• Objectifs scientifiques

• Démarche et déroulement de la thèse• Étude bibliographique: propriétés physiques d’un écoulement de cavité

• Simulation URANS elsA

• Analyse théorique de l’influence de la compressibilité sur les modes de cavité

• Etude expérimentale

• Conclusions et perspectives

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• Problème aérodynamique

• Conséquences: nuisances sonores, dommages structurels et électroniques,…

ContexteIntro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives

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Objectifs scientifiques

• Améliorer la compréhension physique du phénomène de cavité• Analyser et expliquer le succès d’une démarche de contrôle en boucle

ouverte : le « cylindre » (*) (*) 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.

• Etude numérique: Simulation RANS (et URANS) en vue d’une étude de stabilité globale (elsA) et de sensibilité (prévision a priori de la position du cylindre de contrôle).

• Etude théorique: Influence de la compressibilité sur les modes de cavité (FreeFem)

• Etude expérimentale: Détermination de la zone de contrôle des instationnarités de cavité par à un cylindre

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Plan

• Introduction au problème• Contexte

• Objectifs scientifiques

• Démarche et déroulement de la thèse• Étude bibliographique: propriétés physiques d’un écoulement de cavité

• Simulation URANS elsA

• Analyse théorique de l’influence de la compressibilité sur les modes de cavité

• Etude expérimentale

• Conclusions et perspectives

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Analyse des études existantes (1/2)• La cavité est un phénomène largement étudié depuis les années 1950

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COUPLAGE AERO-ACOUSTIQUE

U∞

Thèse qui fait suite aux travaux de Forestier(2000) et Illy(2005) au sein du DAFE

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.

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Analyse des études existantes (2/2)Intro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives

Techniques de contrôle:

• Passif: modifications de la géométrie des bords de la cavité - Heller & Bliss (1975), Rockwell & Naudascher (1978), Pereira & Sousa (1994)

obstacles au bord amont (spoilers, step) – Doran (PhD 2006)

soufflage continu

cylindre au bord amont – Illy H. (PhD 2005), Comte P., Daude F. & Mary I. (2008), Daude F. (PhD 2009)

• Actif: soufflage pulsé au bord amont

systèmes piézoélectriques – Cattafesta & Washburn (1997), Stanek (2001)

haut-parleur – Kestens & Nicoud (1998)

volets vibrants – Williams et al. (2000)

fonction de forçage au bord amont (contrôle en boucle fermée) - Barbagallo (2009)

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Contrôle à l’aide d’un cylindre (1/2)Intro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives

Actionneur choisi pour notre étude: le cylindre

Reprise des travaux de H. Illy

L

D

W

x

z

d

Ue

Paramètres contrôlant la cavité: Md

Lx

Ld

dz

d ,Re,,,,0

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Contrôle à l’aide d’un cylindre (2/2)Intro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives

Effets du cylindre placé en amont de la cavité sur les instationnarités:

Illy H. (AIAA, 2008)

Paramètre le plus influent:dz

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Analyse numérique (1/2)Intro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives

Simulation dans les conditions de l’expérience → Logiciel elsA

Simulations LES déjà faites (Larchevêque - 2003)

Schéma de la cavité étudiée

Caractéristiques :

L/D = 0.42 , Mach=0.8 , Re = 8.6e5

Modèle choisi: k-ω Wilcox

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Analyse numérique (2/2)Intro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives

Simulation numérique URANS de la vorticité

Premiers résultats

Signal de pression au bord aval

p

Fréquence proche de l’expérience -Forestier (2000): ~ 2000Hz

Même nombre de structures dans la couche de mélange.

BUT: • Analyse de Stabilité globale à partir du champ RANS•Introduction d’un cylindre dans la simulation

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Analyse théorique (1/3)Intro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives

Influence de la compressibilité sur les modes de la cavité

ls

L

D

Cavité de rapport L/D=1

Re=7500 et Mach = 0 à 0.9

À l’entrée: u=1, v=0

Etude de stabilité:Résolution des équations de Navier Stokes compressibles.

où σ, le taux d’amplification et ω, la pulsation du mode propre.

AXdt

dXQ

teyxXtyxX ),(~

),,( i

XAXQ~~

avec

vérifie:

Problème aux valeurs propres généralisé

BUT: Comprendre la dynamique d’une cavité à faible nombre de Mach

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Analyse théorique (2/3)Intro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives

Premiers résultats

75.0

65.01

25.0

DL

M

StD

1

M

n

L

UStL

Modes de couche de mélange (Rossiter - 1964):

Modes acoustiques (East - 1966):

Transition incompressible ↔ compressible

Spectre Strouhal-Mach des modes propres instables de la cavité compressible.

La dynamique quand M → 0 est complexe

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Analyse théorique (3/3)Intro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives

1/M

1-1/M 1+1/M

Vitesse longitudinale du mode 3 à Mach=0.3

Masse volumique du mode 3 à Mach=0.3

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• Essai en soufflerie• Reprise du montage de H. Illy et N. Forestier (thèses DAFE) • Principe:

Retrouver les résultats des expériences précédentes (sans cylindre, et avec cylindre à l’amont)

Explorer la couche de mélange et l’amont de la cavité avec le cylindre

• Conditions expérimentales: M=0.8, L/D=0.42• Méthodes de mesure: prises de pression instationnaire, strioscopie, PIV• Prévu pour début 2011

Étude expérimentaleIntro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives

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Plan

• Introduction au problème• Contexte

• Objectifs scientifiques

• Démarche et déroulement de la thèse• Étude bibliographique: propriétés physiques d’un écoulement de cavité

• Simulation URANS elsA

• Analyse théorique de l’influence de la compressibilité sur les modes de cavité

• Etude expérimentale

• Conclusions et perspectives

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Conclusions et perspectives

• État d’avancement:• Étude RANS terminée• Étude compressible en cours

• A venir…• Analyse de stabilité du champ RANS• Introduction du cylindre

• Interprétation des résultats → Simulation FreeFem

• Etude expérimentale

• Comparaison zone de sensibilité expé ↔ simulation elsA• Interprétation sur le rôle du cylindre dans le contrôle des instationnarités.

Intro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives

→ Simulation elsA

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Publications et modules de formation

• Modules de formation (ONERA)• « Aéroacoustique : Modélisation et Calculs » (15, 16 et 17 juin 2010)• « Sécurité Laser » (16 décembre 2010)

• Conférence:• Congrès Français de Mécanique à Besançon, Août 2011

‘Stabilité d’un écoulement de cavité ouverte en régime compressible’(sous réserve d’acceptation du Conseil Scientifique du congrès)

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Questions