Contrôle en boucle ouverte des instationnarités de cavité en régime transsonique Sami Yamouni 3e année DAFE Bourse ONERA Directeurs de thèse: Laurent Jacquin

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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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


Spectre complet des modes instables

)65.01(

25.075.0

DL

M

StAcoustic

Un 2nd phénomène entre en jeu: la résonance acoustique (East 1966)

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D

L

Ondes de pression

stationnaires

mode (vitesse longitudinale)

M=0.4

mode (densité)


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Interaction des mécanismes de rétroaction acoustique ( Rossiter 1964) et de résonance acoustique (East 1966)

Trajectoires des modes obtenues par continuité


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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.




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Plan







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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.


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


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Cas référence à M=0.755 (*)


Spectre de pression du capteur central avalStrioscopie avec caméra rapide


Sens du vent


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Carte de sensibilité

( X,Z ) = (-5;11) (en mm)


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( X,Z ) = (2.5;0) (en mm)



Démo:

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Contrôle plus en amont ?( X,Z ) = (15;0.5) (en mm)



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Contrôle loin en amont de la cavité

( X,Z ) = (-55;2) (en mm)

δ

Interaction avec la couche limite?


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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.


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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

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120

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150

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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


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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.


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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.

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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.


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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.


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To be continued…

Documents

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