Active flow control for drag reduction of vehicles using large eddy simulation, experimental investigations and reduced-order modeling

The purpose of this short paper is to introduce first results obtained in a collaborative research between the partners. This research is dedicated to drag reduction of vehicles using LES, experimental investigation and ultimately reduced order modeling. First numerical and experimental results are presented. Experiments show that periodic forcing at high frequencies and amplitudes of the order of the upstream velocities can be viewed as a promising strategy for drag reduction targeted control of three-dimensional bluff-bodies

Variabilité cyclique de l'aérodynamique interne d'un moteur diesel (mise en oeuvre de diagnostics optiques pour l'analyse spatiale et temporelle)

La compréhension physique des variations cycliques de l'aérodynamique interne des moteurs Diesel est un enjeu majeur pour la réduction des émissions polluantes. Cette thèse propose une caractérisation expérimentale d'un écoulement de type "swirl", par vélocimétrie laser. Elle démontre que la stabilité cyclique de l'écoulement est affectée par des fluctuations de structures, révélées par une étude des statistiques de la circulation, puis quantifiées par une décomposition orthogonale aux valeurs propres (POD). L'analyse spatiale est finalement complétée par un suivi temporel de l'écoulement compressé. Un couplage des champs temporels à une approche invariante en phase de la POD est proposé dans le but de résoudre la dynamique des grandes échelles et de décrire l'espace des paramètres. L'analyse temporelle de la circulation par cette méthodologie montre qu'un nombre conséquent de modes est nécessaire pour présenter fidèlement les variations de l'écoulement associées.TOULOUSE-ENSEEIHT (315552331) / SudocSudocFranceF

Modélisation numérique et expérimentale des phénomènes de givrage par accrétion de neige collante

Ce travail est consacré à l'étude du givrage atmosphérique des structures par accrétion de neige collante qui peut conduire à des dommages sévères aux structures. Les particules à la base de ce type d'accrétions sont caractérisées par un mélange d'eau et glace quantifié dans cette étude par un paramètre sans dimension: la teneur en eau liquide: définie comme le ratio de la masse liquide sur la masse totale de la particule. La définition de la TEL considérée dans ce travail est différente de celle utilisée en aéronautique. Dans cette étude, la neige collante a été reproduite avec une températures ambiante négative. L'approche expérimentale, mise en oeuvre dans une soufflerie climatique, est consacrée à l'étude de l'effet de la sur l'accrétion de neige sur une structure de test. La est ajustée en modifiant la température ambiante. Les résultats sont synthétisés par le coefficient definì comme le ratio entre le flux massique de l'accrétion, et le flux massique de neige incidente. Un premier modèle numérique évalue les conditions aux limites pour le modèle d'accrétion: c.à.d. la distribution en taille des particules à l'amont de la structure et la associée. La première partie du modèle numérique d'accrétion concerne l'analyse du comportement des particules à proximité de la structure expérimentale quantifié par le nombre de Stokes. La capacité des particules à impacter la structure est synthétisé par le coefficient de collision . L'analyse du coefficient expérimental , en fonction de est développée. Ceci permet l'étude de la capacité des particules à s'accrocher à la surface en fonction de la . Le résultat est évalué par le coefficient de collage . La seconde partie expose une approche pour modéliser la forme d'accrétion, par le coefficient de collage , en s'appuyant sur l'angle d'impact entre la particule et la surface. Des perspectives sont proposéesThe present work aims at studying the atmospheric phenomenon of wet-snow accretion to structures. This phenomenon may induce severe damages to structures. Freezing particles which generate wet-snow accretions are characterized by a mixed phase ice/water. The particle state in this framework is quantified by a dimensionless parameter: the liquid water content defined as the ratio of the particle liquid mass to the whole particle mass. This definition is different form the aeronautical one. In this work, wet snow is produced with an ambient temperature below . Both experimental and numerical approaches are undertaken to investigate the subject. The experimental approach, undertaken in a climatic wind tunnel, is based on the effect on the accretions obtained on a test structure. The particle is tuned by adjusting the ambient temperature of the test chamber. The results are synthesized by a coefficient defined as the ratio of the accretion mass flux to the snow mass flux. A first numerical model assesses the boundary conditions of the accretion model, i.e. the particle size distribution upstream the structure and the associated . The first part of accretion model concerns the study of the particle behavior close to the structure which is quantified with a Stokes number. The efficiency of particles to impact the structure is synthesized by a dimensionless parameter . The analysis of the experimental coefficient according to is developed. This allows to study the efficiency of particles to stick on the structure as a function of the . The result is synthesized by the coefficient. The second part concerns an attempt to model the accretion shape by the sticking efficiency as a function of the particle-surface angle of impact. A series of perspectives are presentedPOITIERS-ENS Mécanique Aérot (860622301) / SudocSudocFranceF

Analyse de la dynamique des jets à densité variable en écoulement cocourant pulsé

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude des écoulements turbulents fortement instationnaires avec larges variations de densité. Elle s'insère dans une action globale de compréhension des mécanismes physiques régissant le mélange air / carburant gazeux (GNV) dans les moteurs à piston. L'objectif de cette étude est d'analyser la dynamique des jets à densité variable en écoulement cocourant fortement pulsé. L'analyse a été conduite en se basant à la fois sur des données expérimentales obtenues par ánémométrie Laser Doppler bicomposantes, et une approche numérique par résolution des équations de Navier-Stokes moyennées (RANS). Outre le test de la pertinence des modèles de fermeture (k - e, Rij-e), cettes complémentarité permet d'apprécier l'impact de l'instationnarité sur le développement moyen et turbulent du jet. L'instationnarité modifie le flux d'excès de quantité de mouvement initial et impose à l'écoulement un champ d'accélération variable en temps. La réponse du jet à ces deux sollicitations dépend de sa capacité à s'adapter aux changements des conditions d'initial. Cette capacité liée au transport advectif induit une partition du jet en régions quasi statique et instationnaire. Les effets de mémoire observés dans la zone instationnaire peuvent être appréhendés par un modèle hyperbolique. Un front de vitesse de type jet naissant se développe lors de l'accélération et se traduit par un effet important sur le champ turbulent. Le mélange avec le fluide extérieur est réduit à son passage et plus généralement pendant toute l'accélération. En phase de décélération le gradient de pression contrôle la dynamique de l'écoulement. Dans le cas du jet à densité variable, le couplage avec le gradient de densité induit une force de flottabilité. En situation de jet léger, la structure moyenne de l'écoulement passe alors d'un jet à un sillage. Les conséquences sur la turbulence et le mélange sont identifiées et expliquées.TOULOUSE-ENSEEIHT (315552331) / SudocSudocFranceF

Caractérisation par méthode optique des débordements d'eau de pluie sur les vitres latérales d'un véhicule automobile (Analyse physique et base expérimentale pour la simulation)

Les débordements d'eau de pluie sur les vitres latérales d'un véhicule automobile représentent un facteur dégradant de la sécurité et du confort de conduite. La résolution de cette problématique nécessite de nombreuses études en soufflerie et le développement d'outils de simulation performants est encore nécessaire. L'objet de cette thèse est d'étudier le comportement de l'eau de pluie s'écoulant sur le pare-brise, le montant de baie et les vitres latérales de corps simplifiés et de véhicules réalistes, à travers des mesures en soufflerie et des simulations numériques. Une méthode optique de mesure des épaisseurs de film liquide par fluorescence induite et un protocole d'essais industriels en soufflerie échelle 1 ont été développés. Une base de données expérimentales est construite avec un contrôle strict des conditions aux limites pour étudier les paramètres prépondérants : - géométrie de la zone de débordement (gorge de pare-brise, décroché de montant de baie) et son influence sur le champ aérodynamique local et sur le drainage de l'eau ; - vitesse du véhicule ; - débits d'eau liés à l'intensité de la pluie ; - influence des effets de surface. L'analyse combinée de ces données et des résultats de calculs du champ aérodynamique permet de mettre en évidence les principaux mécanismes du débordement (écoulement en gorge et sur un décroché) et du cheminement de l'eau de pluie sur la vitre latérale. La comparaison des données expérimentales avec les résultats issus d'un modèle à une équation de film liquide surfacique permet de mettre en évidence les lacunes de cette modélisation. Des pistes d'amélioration du processus de simulation numérique sont proposées.Overflow of rain water on side windows of a car leads to a degradation of the driving security and comfort. A lot of wind tunnel studies are necessary to avoid this phenomenon, and further developments of numerical simulation tools are still needed. In this thesis, we study the way rain water flows over the windshield, the A-pillar and the side windows of simplified bluff bodies and realistic cars through wind tunnel tests and numerical simulations. An optical measurement method for liquid film thickness based on induced fluorescence and an experimental protocol for full-scale wind tunnel tests were developed. An experimental data base is build with strictly controlled boundary conditions to study the most important parameters: - overflow zone's geometry (windshield gutter and A-pillar's shape) and its influence on local aerodynamic field and on water draining, - car's velocity, - water fluxes linked to rain intensity, - surface effects influence. A combined analysis of those results with aerodynamic simulations brings to light the main mechanisms of overflow (flow in the gutter and on the A-pillar) and water paths on the side windows. The comparison of the experimental data with results from a one equation surface film model enables to underline the lack of efficiency of this kind of modeling. Then ways of improvement of the simulation process are suggested.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Chute d'un nuage de particules dans une turbulence diffusive (étude des couplages entre phases par diagnostics optiques)

Ce travail expérimental porte sur la caractérisation des interactions turbulence-particules solides : dispersion, formation et effet des amas de particules sur l'écoulement porteur. L'écoulement monophasique gazeux est créé par un jet d'air confiné dans un tube fermé en son sommet. Une zone proche de la turbulence homogène isotrope s'y développe. L'écoulement diphasique est obtenu en injectant des particules uniformément par le haut du tube. Nous mesurons simultanément les champs de vitesse des particules et du fluide par une méthode optique couplant PIV 2D2C et une méthode de PTV développée dans cette étude. Un régime de concentration préférentielle (avec formation d'amas) apparaît dans l'écoulement. Malgré le faible chargement solide, la dynamique collective des particules entraîne une forte modification de la turbulence du fluide et du mouvement relatif moyen des particules. Un modèle qui rend compte de ces effets est proposé.This experimental study concerns the characterization of the turbulence-particles interactions : dispersion, clusters generation and effects on the carrier flow. The experimental apparatus consists in a vertical jet confined in a tube closed at the top section. The single-phase flow presents a region near homogeneous and isotropic turbulence. In the two-phase flow, we inject particles uniformly at the top of tube. We have developed a PIV/PTV 2D2C methodology to measure simultaneously the velocity fields of both phases. We notice a generation of clusters of particles by preferential concentration. In spite of two-phase flow with low volume fraction of particles, the clusters dynamics leads to a strong modification of the settling velocity of the particles and of the carrier flow turbulence. A model that represents these effects is discussed.TOULOUSE-ENSEEIHT (315552331) / SudocSudocFranceF

Mesures multipoints pression, vitesse pour l'analyse de l'aérodynamique d'écoulements décollés instationnaires (application aux véhicules terrestres)

Dans le cadre d'une recherche expérimentale pour le Centre National de Recherche Technologique en Aérodynamique et Aéroacoustique des Véhicules Terrestres (CNRT R2A). L'objectif est de tester et de développer des techniques de mesures et d'analyse utilisables pour les écoulements décollés. A partir de la mesure de vitesse par Anémométrie Doppler Laser et celle de la pression fluctuante en paroi, il est possible d'obtenir des mesures multipoints et alors de mettre en oeuvre des techniques innovantes de traitement de type décomposition aux valeurs propres (POD) et " POD étendue ".Les outils développés ont d'abord été mis en application et testés pour l'étude d'un écoulement décollé bidimensionnel en moyenne (écoulement sur une rampe incliné à 30) Puis un écoulement décollé 3-D de type tourbillon longitudinal (similaire aux structures qui se forment sur les ailes delta en incidence) est considéré. Il s'agit des tourbillons qui se produisent dans la région des montants de baie. Le MOPET3D (MOdèle Pour l'Etude des Tourbillons dans une configuration tridimensionnelle) a ainsi été défini en collaboration avec les membres du CNRT R2A. Le but est de caractériser l'instationnarité et la signature du tourbillon en terme de fluctuations de pression et de vitesse.In connection with an experimental research work, for the "Centre National de Recherche Technologique en Aérodynamique et Aéroacoustique des Véhicules Terrestres" (CNRT R2A), measurement and analysis methods are developed and tested. These methodologies are applied to the study of two-dimensional and three-dimensional separated flows. With the measures of the velocity, by Laser Doppler Anemometry (LDA), and the wall fluctuating pressure it is possible to obtain multipoint measurements. With these measurements, an innovative method for results deployment is implemented. This method is based on the Proper Orthogonal Decomposition (POD) and "Extended POD".The developed methodology is initially applied to the study of a 2-D separated flow (flow over a 30 forward facing ramp). After a separated 3-D flow of a longitudinal vortice type (similar to the leading-edge flow structure above a sharp edge delta wing) is considered. It is about the vortices formed around the A-pillar region. The MOPET3D (" MOdèle Pour l'Etude des Tourbillons dans une configuration tridimensionnelle" Test Case for the A-Pillar Vortex) was defined with the collaboration of the members of the CNRT R2A. Our goal is to characterize the unsteadiness and the signature of the vortice in terms of fluctuating pressure and velocity.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Étude par imagerie laser de la génération et de la rupture d'un écoulement tourbillonnaire compressé (situation modèle pour la validation de simulations aux grandes échelles dans les moteurs)

Une étude par imagerie laser de la génération et de la rupture d'un écoulement tourbillonnaire compressé est présentée. Le cadre contractuel [...] est un projet Européen Joule. Notre but est de construire et d'analyser une situation modèle pour la validation [...] dans les moteurs. Une installation expérimentale existante a été exploitée. Nous avons apporté des améliorations importantes de la mesure des conditions aux limites. Nous avons ainsi pu rassembler une base de données importante et fiable. Nous avons développé intégralement un nouveau logiciel PIV permettant un décalage itératif subpixel des mailles d'analyses. [...] La précision absolue sur la mesure du déplacement est de l'ordre de 0,01 pixel. [...] L'étude complète des phases d'admission et de compression est présentée. Une analyse des mécanismes de génération et de déstabilisation du tourbillon en terme de décomposition de Reynolds est d'abord proposée. [...] Les effets de courbure et de décollement sont nets pendant l'admission. La déstabilisation du tourbillon pendant la compression est progressive. Deux zones décollées tridimensionnelles apparaissent. [...] Par l'analyse des champs instantanés et l'utilisation de la POD, nous identifions bien les fluctuations de positions corrélées à grande échelle de la structure tourbillonnaire. Ces fluctuations s'amplifient au cours de la compression et sont de plus corrélées à des éjections de fluide vers les zones d'écoulements décollés de la chambre. Nous montrons ainsi que la déstabilisation du tourbillon fait intervenir plusieurs type d'instabilités (Instabilité elliptique mais aussi instabilité centrifuge). Des mesures en situation diphasique pour des conditions aux limites bien contrôlées sont également présentées. [...] Nos mesures de vitesses moyennes et fluctuantes (longitudinales et radiales) sont en très bon accord avec les tendances prédites par la modélisation diphasique Eulérienne. [...]TOULOUSE-ENSEEIHT (315552331) / SudocSudocFranceF

Contribution à la modélisation instationnaire de la turbulence (modélisations urans et hybride rans/les)

Cette thèse concerne la modélisation instationnaire de la turbulence. La présence de structures à grande échelle dans des écoulements statistiquement stationnaires invalide certaines hypothèses. L introduction du terme pour les équations URANS ne suffit pas, une nouvelle décomposition et un opérateur associé sont nécessaires. L applicabilité des méthodes de fermeture usuelles doit alors être vérifiée. Par exemple, la périodicité du jet synthétique entraîne un non-équilibre créant un non-alignement permanent des tensions de déformation et d anisotropie que le modèle RSM reproduit mais pas le modèle k- . La modélisation hybride RANS/LES non-zonale, dérivée d une proposition initiale de Schiestel, repose donc sur des équations de transport pour les tensions de Reynolds ( ij)SGS, et pour la dissipation, où l opérateur de décomposition joue le rôle d un filtre dont la fréquence de coupure peut être maîtrisée. La qualité des résultats obtenus sur une couche de mélange temporelle atteste de la capacité de ce modèle à capter les grandes structures de l écoulement.The aim of this work is to account for the unsteadiness effects on the turbulence in single point closure. The existence of large scale structures in statistically steady flows leads to reconsider some hypothesis. Much more than adding the time derivatives , the URANS equations needs to consider a new decomposition and an assiociated operator. Therefore, the applicability of usual closure methods has to be examined. For exemple, the periodicity of a synthetic jet leads to a non-equilibrium, which induces a permanent misalignment of anisotropy tensor and strain tensors. RSM are able to reproduce this misalignment, whereas k- . model can't. A seamless hybrid RANS/LES method, based on the version of Schiestel's model, relies on transport equations for the subgrid stress ( ij)SGS and dissipation. The decomposition operator is then assimilated as a filter with an adapatative cutoff frequency. The predictions obtained on a temporal mixing layer shows the ability of this model to capture the very large structure of the flow.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocNANCY/VANDOEUVRE-INPL (545472102) / SudocSudocFranceF