Vortex Pair in ground vicinity : Optimal Perturbation and Optimal Control

The risk of wake vortex encounter is a major issue in aviation. This is notably true in the vicinity of airports during take-o? and landing. In order to reduce wake vortex encounters, conservative separation distances are applied. However, these distances impede on the increase of the frequency of arrivals and departures at airports by the steadily increasing tra?c. In the present work, an analysis of the control of the two-dimensional vortex dynamics close and at the ground as a mean to reduce the separation distance is carried out. The behavior of vortices in ground e?ect has been a much investigated subject, motivated by this aviation issue but also by wall bounded turbulence (Stephan et al. 2013). It has been demonstrated that vortices (Harvey et al. 1971) rebound at the ground instead of going sideways like in the inviscid situation (Lamb 1932). Vortex rebound causes vortices to stay longer above runways and increase the risk of encounters. Two control strategies are described in order to alleviate the aforementioned issue. The ?rst one is based on an optimal perturbation approach aiming at mitigating vortices by increasing perturbations growth. An analysis of the e?ect of the perturbation symmetry and horizon time, along with a physical mechanism of the transient growth processes is achieved. The second approach is based on the optimal control of the vortex position through the implementation of active blowing/suction at the ground. The maximization of the lateral position of the vortices is achieved with the idea of suppressing vortex rebound, and promoting an inviscid like kinematics of the vortices (the vortices move sideways out of the runway). The method achieves a 50% increase in the lateral position of the vortices. A physical analysis of the change induced by the control on the ?ow is detailed

Measures de vent 3D avec le lidar Doppler coherent Live à bord d'un avion

International audienceA three-dimensional (3D) wind profiling Lidar, based on the latest high power 1.5 µm fiber laser development at Onera, has been successfully flown on-board a SAFIRE (Service des Avions Français Instrumentés pour la Recherche en Environnement) ATR42 aircraft. The Lidar called LIVE (LIdar VEnt) is designed to measure wind profiles from the aircraft down to ground level, with a horizontal resolution of 3 km, a vertical resolution of 100 m and a designed accuracy on each three wind vector components better than 0.5 m.s −1. To achieve the required performance, LIVE Lidar emits 410 µJ laser pulses repeating at 14 KHz with a duration of 700 ns and uses a conical scanner of 30 • total opening angle and a full scan time of 17 s.Un lidar vent 3D, basé sur le dernier développement de laser à fibre de 1,5 µm à haute puissance de l’ONERA a été testé avec succès à bord d’un avion SAFIRE ATR42. Le lidar appelé LIVE est conçu pour mesurer les profils de vent de l’avion jusqu'au sol, avec une résolution horizontale de 3 km, une résolution verticale de 100 m et une précision calculée supérieure à 0,5 m / s pour chaque composante du vecteur du vent

Clear air turbulence detection and characterisation in the delicat airborne lidar project

We report on a development of a long-range airborne UV high spectral resolution lidar, intended for the detection and characterisation of clear air turbulence (CAT). The detection of turbulence is based on the measurement of density fluctuations associated with the movement of turbulent air masses. These density fluctuations are measured by the variations in the molecular backscatter coefficient which is determined from the lidar signal by spectrally separating it from the aerosol backscatter. After an introduction, we review the CAT detection principle and describe the lidar system design. We then present the expected performance of the system and give an overview on the planned measurement campaign

Dynamique et contrôle d'une paire de tourbillons en effet de sol

International audienceThe dynamics and control of a vortex pair in ground effect are investigated ina planar, incompressible and laminar setting. The evolution of the vortices obtained numerically shows vortex rebound as a consequence of the separation of the boundary layer induced at the wall by the vortices. An optimal control approach is developed and employed for vortex Reynolds numbers of 200 and 1000 in order to identify the optimal Dirichlet boundary condition at the wall to counteract this rebound and allow for an increased lateral displacement of the vortex, similarly to the inviscid evolution of the flow, which features hyperbolic trajectories. The work is primarily a conceptual approach to deal with aircraft separation distances in airport airspace by moving the vortices laterally, away from the runway but may also apply to the control of coherent structures in wall bounded turbulence. The most efficient control is able to double the lateral position and yields mostly vertical in and outflow at the wall. An optimal horizon time is found, equal to 5 characteristic time units of the vortex system, beyond which control is not able to further displace the vortices. The control is shown to delay the separation of the boundary layer at the origin of vortex rebound by applying suction ahead of the vortex, and to generate a vorticity flux at the wall, leading to a pusher vortex of sign opposite to that of the primary vortex, that attenuates the effect of the no-slip boundary condition at the wall by pushing the vortex outward.La dynamique et le contrôle d'une paire de tourbillons en effet de sol sont étudiés dans un cadre plan, incompressible et laminaire. L'évolution des tourbillons obtenus montre le rebond du tourbillon à la suite de la séparation de la couche induite au sol par ces tourbillons. Une approche de contrôle optimale est développée et utilisée pour des nombres de Reynolds entre 200 et 1000 afin d'identifier la condition limite optimale au sol pour contrer ce rebond et permettre un déplacement latéral accru du tourbillon, de la même manière que l'évolution inviscide de l'écoulement, qui présente des trajectoires hyperboliques. Le travail est principalement une approche conceptuelle pour gérer les distances de séparation des aéronefs dans l'espace aérien de l'aéroport en déplaçant les tourbillons latéralement, loin de la piste, mais peut également s'appliquer à la contrôle des structures cohérentes dans une turbulence de paroi. Le contrôle le plus efficace est en mesure de doubler la position latérale et donne principalement des vitesses au sol verticales. On trouve un temps d'horizon optimal égal à 5 unités de temps caractéristiques du système tourbillonnaire, au-delà duquel le contrôle n'est pas en mesure de déplacer davantage les tourbillons. Il est démontré que le contrôle retarde la séparation de la couche limite à l'origine du tourbillon rebond en appliquant une succion en avant du tourbillon, et qui génère un flux de vorticité à la paroi, menant à un tourbillon "repoussoir" de signe opposé à celui du tourbillon primaire. Ce dernier atténue l'effet de la condition aux limites d'adhérence à la paroi en "poussant" le tourbillon vers l'extérieur

Détection et caractérisation des tourbillons de sillage des avions par Lidar Doppler

Dans un contexte où le trafic aérien s'accroît chaque jour, l'optimisation des débits en termes de décollage et d'atterrissage est devenue un enjeu majeur pour les aéroports à forte affluence. Ces débits sont principalement limités par la présence de tourbillons de sillage communément appelés wake vortex. Ceux-ci sont formés après le passage d'un avion et représentent un danger potentiel pour l'avion suivant. Afin d'éviter les accidents, les organisations de sûreté de la navigation aérienne ont défini, il y a plus de quarante ans, des distances de sécurité à respecter entre décollages ou atterrissages successifs. Ces distances prennent en compte la catégorie de poids des deux appareils en considérant des situations pire-cas. De nombreuses études ont été menées pour permettre une meilleure compréhension de ces tourbillons et ont permis de constater que leur comportement varie en fonction des conditions atmosphériques, en particulier en fonction du vent et de la turbulence atmosphérique. Afin d’étudier la dynamique de la masse d’air et l’évolution de ces phénomènes, on utilise depuis une dizaine d’années le Lidar (light detection and ranging). Le Lidar pulsé est devenu l’instrument de référence pour la mesure à distance des tourbillons de sillage (positions et puissance)

Characterisation of Small-Scale Atmospheric Wind-Field Structures Using Coherent Wind Lidar With Short Pulses

A lidar design has been developed at ONERA that uses short square pulses (75 ns) to have a small spatial resolution (22.5 m) and be able to measure small-scale atmospheric wind-field structures. Results show that the system is able to resolve the small-scale structures of vortices and to measure wind field structures of a turbulent wind field down to ~20 m

Correcting winds measured with a Rayleigh Doppler lidar from pressure and temperature effects

The molecular channel of the space-based Doppler lidar ADM-Aeolus relies on a double Fabry–Perot (FP) interferometer. The difference in photon numbers transmitted by the two FPs divided by their sum- the so-called Rayleigh response—is a function of the central frequency of the spectrum of the laser light backscattered by the atmosphere, so that a proper inversion enables the measurement of Doppler shifts and line-of-sight wind velocities. In this paper, it is shown that the relation-ship between the Rayleigh response and the Doppler shift does not depend on the sole characteristics of the instrument, but also on the atmospheric pressure and temperature (through the Rayleigh–Brillouin effect), and the likely presence of a narrow-band radiation due to particle scattering. The impact of these on the precision of inverted Doppler shifts (or line-of-sight winds) is assessed showing that a correction is needed. As they are lacking the appropriate precision, climatology profiles of pressure, temperature or aerosols cannot be used as an input. It is proposed to use data predicted by a numerical weather prediction system instead. A possible correction scheme is proposed. Its implication on the quality of retrieved Rayleigh winds is discussed