An experimental study of boundary-layer transition induced vibrations on a hydrofoil

This paper aims at characterizing experimentally laminar to turbulent transition induced vibrations. Here, the transition is known to be triggered by a Laminar Separation Bubble that results from a laminar separation of the boundary-layer flow on a hydrofoil. In this study we consider two NACA66312 (Mod) laminar hydrofoils at low angles of incidence (mostly 2° and 4°) and Reynolds numbers ranging from Re=450 000 to 1 200 000, in order to get transitional regimes. The first hydrofoil, made of steel (E=2.1×1011 Pa), is referred to as the rigid hydrofoil, although it is seen to vibrate under the action of the LSB. To better understand the possible interaction between the flow and the foil vibrations, vibration measurements are repeated using a flexible hydrofoil (E=3×109 Pa) of same geometry (under zero loading) and in close configurations. The experiments are carried out at the French Naval Academy Research Institute (IRENav, France). Wall pressure and flow velocity measurements enable a characterization of the laminar separation bubble and the identification of a vortex shedding at a given frequency. It is hence shown that the boundary-layer transition induces important foil vibrations, whose characteristics in terms of frequency and amplitude depend on the vortex shedding frequency, and can be coupled with natural frequencies of the hydrofoils

Cavity induced vibration of flexible hydrofoils

The objective of this work is to investigate the influence of cavity-induced vibrations on the dynamic response and stability of a NACA66 hydrofoil at 8° angle of attack at Re=750 000 via combined experimental measurements and numerical simulations. The rectangular, cantilevered hydrofoil is assumed to be rigid in the chordwise direction, while the spanwise bending and twisting deformations are represented using a two-degrees-of-freedom structural model. The multiphase flow is modeled with an incompressible, unsteady Reynolds Averaged Navier–Stokes solver with the k–ω Shear Stress Transport (SST) turbulence closure model, while the phase evolutions are modeled with a mass-transport equation based cavitation model. The numerical predictions are compared with experimental measurements across a range of cavitation numbers for a rigid and a flexible hydrofoil with the same undeformed geometries. The results showed that foil flexibility can lead to: (1) focusing – locking – of the frequency content of the vibrations to the nearest sub-harmonics of the foil׳s wetted natural frequencies, and (2) broadening of the frequency content of the vibrations in the unstable cavitation regime, where amplifications are observed in the sub-harmonics of the foil natural frequencies. Cavitation was also observed to cause frequency modulation, as the fluid density, and hence fluid induced (inertial, damping, and disturbing) forces fluctuated with unsteady cavitation.The authors gratefully acknowledge Ms. Kelly Cooper (program manager) and the Office of Naval Research (ONR), for their financial support through Grant nos. N00014-11-1-0833 and N0014-12-C-0585, as well as ONR Global and Dr. Woei-Min Lin (program manager) through grant no. N62909-12-1-7076

An experimental study of boundary-layer transition induced vibrations on a hydrofoil

International audienceThis paper aims at characterizing experimentally laminar to turbulent transition induced vibrations. Here, the transition is known to be triggered by a Laminar Separation Bubble that results from a laminar separation of the boundary-layer flow on a hydrofoil. In this study we consider two NACA66312 (Mod) laminar hydrofoils at low angles of incidence (mostly 2° and 4°) and Reynolds numbers ranging from Re=450 000 to 1 200 000, in order to get transitional regimes. The first hydrofoil, made of steel (E=2.1×1011 Pa), is referred to as the rigid hydrofoil, although it is seen to vibrate under the action of the LSB. To better understand the possible interaction between the flow and the foil vibrations, vibration measurements are repeated using a flexible hydrofoil (E=3×109 Pa) of same geometry (under zero loading) and in close configurations. The experiments are carried out at the French Naval Academy Research Institute (IRENav, France). Wall pressure and flow velocity measurements enable a characterization of the laminar separation bubble and the identification of a vortex shedding at a given frequency. It is hence shown that the boundary-layer transition induces important foil vibrations, whose characteristics in terms of frequency and amplitude depend on the vortex shedding frequency, and can be coupled with natural frequencies of the hydrofoils

Simulation couplée Fluide-Structure d'un hydrofoil en composite sous écoulement stationnaire et instationnaire

Ces travaux s'inscrivent dans un contexte grandissant de développement de concepts innovants d'hélices marines en composites dans l'optique d'en améliorer les performances. En effet, les matériaux composites offrent des perspectives intéressantes en termes de légèreté des structures, mais aussi de modifications des propriétés structurelles permettant de réduire les niveaux de vibrations générées par l'écoulement, [1]. Ces deux propriétés des matériaux composites en font une technologie de premier plan dans une actualité mondiale préoccupée par la réduction des émissions de CO2. Par ailleurs, l'adaptation de la structure composite à l'écoulement sous l'effet du chargement hydrodynamique entraine également un retard d'apparition de la cavitation présentant un fort intérêt opérationnel pour les Marines. Ce papier présente plus spécifiquement la validation d'une boucle de calculs couplés fluide-structure à l'aide des logiciels commerciaux de CFD (Starccm+) et de CSD (Abaqus) des déformations d'un profil composite sous chargement hydrodynamique. Le cas de validation envisagé ici est un NACA0009 développé initialement par l'Australian Maritime College (AMC) et testé expérimentalement dans [2], puis optimisé plus récemment à l'aide de codes numériques dans [3]. L'hydrofoil est encastré à sa base, et son extrémité laissée libre afin d'obtenir un comportement s'approchant de l'hélice marine. La mise en place et la validation préalable des modèles fluide 3D RANS et structure sera présentée, puis les résultats numériques seront confrontées aux données d'expériences issues de la littérature [2]. Il est montré que le modèle fluide prédit correctement les coefficients hydrodynamiques jusqu'au décrochag

Etude numérique et expérimentale du comportement hydroélastique d'un hydrofoil dans un écoulement cavitant

Ce travail concerne une étude préliminaire relative à la modélisation numérique d'une structure déformable immergée dans un écoulement cavitant instationnaire. Un hydrofoil de type NACA66012 est considéré. Le calcul de la dynamique du fluide est basé sur un code volume finis 2D avec modèle de cavitation 1-fluide. Le calcul de la dynamique de la structure 3D, est réalisé avec le code éléments finis CASTEM. Le couplage est réalisé simplement par l'interpolation des efforts de pression aux noeuds de la structure calculés au préalables sur une section 2D de la structure rigide. Les résultats obtenus sont comparés à des résultats expérimentaux obtenus dans le tunnel hydrodynamique de l'Ecole Navale

Simulations numériques de la transition laminaire/turbulent sur un profil d'aile

L'objectif de ce papier est d’étudier numériquement les différents mécanismes physiques se développant dans la transition vers la turbulence d’un écoulement de couche limite décollée se développant autour d’un profil d’aile à faible incidence. Cette transition apparaît typiquement pour un nombre de Reynolds modérés et est pilotée par un bulbe de séparation laminaire consécutif à un gradient de pression favorable sur l’extrados de l’aile. Des instabilités de type Kelvin-Helmholtz sont responsables de la première phase de déstabilisation du bulbe et conduit rapidement à des structures tourbillonnaires 3-D. Bien que la zone de bulbe de décollement laminaire soit bien connue, sa dynamique et en particulier les mécanismes de transition vers la turbulence sont mal connus. Dans cette étude, un profil DS7003 a été choisi, il a été largement étudié pour une large gamme de nombre de Reynolds transitionnels (20 000 < Re < 66 000). L'angle d'incidence choisi est relativement faible (=4°), ce qui induit une zone de recirculation et un recollement turbulent proche du bord de fuite. Des simulations numériques 3-D ont été menées avec le code Nek5000, résolvant les équations de Navier-Stokes incompressibles avec une méthode d’éléments spectraux. Plusieurs cas laminaires sont étudiés (2 000 < Re < 10 000) afin de valider la présente méthode sur ce type de profil d'aile. Une comparaison avec des calculs 3-D montre que l'écoulement reste bidimensionnel. Une montée progressive du nombre de Reynolds permet ensuite d'étudier un cas transitionnel à Re=20 000. Les calculs sont comparés à des résultats expérimentaux où les mécanismes d'instabilités dans la zone décollée sont analysés ainsi que la zone de proche sillage. Un phénomène de « bursting » est identifié et analysé par la méthode DMD (Dynamics Mode Decomposition), permettant de relier des modes d’instabilité aux fréquences caractéristiques associées aux fluctuations au sein de la couche limite décollée

Large Eddy Simulation of transitional boundary layer flow on wind turbine blade

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Wall-pressure fluctuations of laminar separation bubble based on direct numerical simulation and experiments over a hydrofoil at Re = 450,000

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Direct numerical simulation of the effect of inlet isotropic turbulence on centrifugal instabilities over a curved wall

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