Pertinence des champs bidimensionnels dans l'analyse des phénomènes instationnaires tridimensionnels

Pertinence des champs bidimensionnels dans l’analyse des phénomènes instationnaires tridimensionnels. F. Lusseyran, J. Basley, F. Gueniat , L. Pastur L’identification de structures cohérentes dans les écoulements de fluide constitue l’un des objectifs de nombreuses études actuelles en mécanique des fluides. L’évaluation de la cohérence spatiale a été longtemps réservée à l’approche numérique, l’expérimentation devant se limiter à des corrélations temporelles du fait des moyens métrologiques disponibles. Depuis 20 ans le développement des techniques de vélocimétrie par images de particules (PIV) donne accès à des champs de vitesse tout d’abord bidimensionnels (2D) et bicomposantes coplanaires (2C), pour actuellement aborder la mesure de champs tridimensionnels complets (3D,3C). Cette évolution est motivée par le caractère le plus souvent intrinsèquement 3D des tourbillons structurant la dynamique spatio-temporelle des sillages, des jets, des écoulements impactant ou même des couches limites et des couches de mélanges. Cependant, les contraintes et les limites imposées par les techniques 3D, justifient encore largement l’exploration 2D. Dans cet exposé nous abordons la validité et les possibilités offertes par différentes décompositions modales des itérés 2D d’un champ de vitesse, résolus en temps (ou non résolus), prélevés expérimentalement ou numériquement dans un champ de vitesse 3D fortement instationnaire. Trois décompositions modales sont appliquées à l’étude d’un écoulement de référence, constitué par une cavité ouverte en interaction avec une couche limite laminaire : - la décomposition en modes propres orthogonaux (POD), la décomposition en modes de Fourier globaux, la décomposition en modes dynamiques (DMD). De plus, on peut ajouter aux propriétés propres à chacune de ces décompositions modales des propriétés physiques, comme l’incompressibilité (transmise aux modes spatiaux) ou la propagation non dispersive de modes transverses au plan de mesure. L’information apportée par l’approche 2D permet alors une incursion pertinente dans la troisième dimension

An experimental investigation on waves and coherent structures in a three-dimensional open cavity flow

A space-time study of a three-dimensional nonlinearly saturated open cavity flow is undertaken using time-resolved space-extended experimental data, acquired in both cross-stream and spanwise planes, in incompressible air and water flows. Through multiple modal decompositions in time and space, the waves and coherent structures composing the dynamics in the permanent regime are identified and characterised with respect to the instabilities arising in the flow. Effects of nonlinearities are thoroughly investigated in the impinging shear layer, regarding the self-sustained oscillations and their interactions with the inner-flow. In particular, the analysis conducted throughout the parameter space enlightens a global connection between the selection of locked-on modes and the amplitude modulation at the impingement and the mode switching phenomenon. Furthermore, observations of low frequencies interacting drastically with the shear layer flapping motion underline the existence of intrinsic coherent three-dimensional dynamics inside the cavity in spite of the shear layer disturbances. Linear stability analyses have demonstrated the onset of centrifugal instabilities along the main recirculation. In the present investigation, we focus on the dynamics after saturation occurred. It reveals numerous space-time coherent structures, whose properties are quantified and classified with respect to the underlying instabilities. We observe travelling or standing spanwise waves, as well as steady structures. Finally, some patterns exhibited by the saturated structures suggest that the nonlinear mechanisms governing the mutations of the flow after the linear regime could gain more insight in the frame of amplitude equations. Thesis submitted to obtain the joint degree of Doctor of Philosophy of Université Paris-Sud Département de Physique Ecole Doctorale MIPEGE and Monash University Department of Mechanical and Aerospace Engineering