Caractérisation expérimentale de la dynamique du décollement de couche limite induit par un gradient de pression adverse et un effet de courbure

These investigations concern the characterization of unsteady phenomena associated to the boundary layer separation induced by both an adverse pressure gradient and a curvature effects. This kind of separation is very usual, particularly in the transport field. This study, essentially based on an experimental approach, is carried out in an hydrodynamic channel using non intrusive measurement techniques. They respect the very sensitive dynamics of the boundary layer separation phenomenon. The separation is, in our case, induced by a 2d obstacle without sharp corner. The studied flow regime is mainly turbulentand the analyzed Kármán number ranges from 60 to 730. The main aim of this study is to estimate the Reynolds number effects on the boundary layer separation length and even on the existence of such phenomenon, but also on the instabilities dynamics, identified in the literature especially for laminar flow regime. The measurements made within the framework of these works allowed, first to built a large experimental database, and secondly to establish that the boundary layer separation and also the associate instabilities, identified for laminar flow, persist even for higher Kármán number. The frequencies associated to the instabilities phenomena have been also identified as well as the characteristic parameters driving their dynamics. The instabilities space-time dynamic, in particular those of the flapping phenomenon were detailed using stochastic analysis. Finally, the large scales distribution associated with the unstable mechanisms (underlined by their spectral broadband frequency range) were also highlighted, as well asothers secondary dynamic phenomena. All these results, especially the identification of the key parameters driving the boundary layer separation, will turn out very useful to design afterward simplified models reproducing as faithfully as possible the separation dynamics and to be able to control them better.Ces travaux de recherche portent sur la caractérisation des phénomènes instationnaires associés aux écoulements décollés induits à la fois par un gradient de pression adverse et un effet de courbure. Ce type de décollement est très couramment rencontré, en particulier dans le secteur des transports. Cette étude repose sur une approche purement expérimentale réalisée en canal hydrodynamique à l’aide de techniques de mesure non intrusives permettant de ne pas dénaturer la dynamique très sensible du phénomène de décollement de couche limite. Le décollement est, dans notre cas de figure, provoqué par un obstacle 2dne présentant pas de rupture de pente. Le régime d’écoulement étudié est principalement turbulent et la gamme des nombres de Kármán analysée s’étale de 60 à 730. L’objectif principal de cette étude est d’évaluer les effets Reynolds sur l’étendue et l’existence même du phénomène de décollement de couche limite, mais également sur la dynamique des instabilités, identifiées à plus bas régime dans la littérature. Les mesures effectuées dans le cadre de ces travaux ont tout d’abord permis de constituer une base de donnéesexpérimentale étoffée, et d’établir que le décollement de couche limite ainsi que les instabilités induites par celui-ci, identifiées en régime laminaire, persistent à plus haut nombre de Kármán. Les fréquences associées aux instabilités ont également été identifiées ainsi que les paramètres caractéristiques pilotant leur dynamique. La dynamique spatio-temporelle de ces instabilités et en particulier celle du phénomène debattement du bulbe décollé a été détaillée notamment par le biais d’une analyse stochastique. Finalement, la répartition relativement étendue des grandes échelles tourbillonnaires associées aux mécanismes instables (soulignée notamment par leur émergence spectrale large bande) a également été mise en évidence, ainsi que certains phénomènes dynamiques secondaires. L’ensemble de ces résultats et en particulier l’identification des paramètres clés pilotant la dynamique du décollement de la couche limite s’avèreront très utiles en vue de concevoir par la suite des modèles simplifiés reproduisant le plus fidèlement possible la dynamique des décollements afin de mieux pouvoir les contrôler

Etude des instabilités d'un écoulement décollé induit par une bosse

L'objectif de ce travail est d'améliorer notre compréhensions sur la dynamique du décollement en vue de définir les paramètres clés dans le but de concevoir un modèle simplifié et prédictif de décollement en échange du modèle classique stationnaire et bidimensionnel. Ce travail sera consacré à la mise en évidence des mécanismes instables induits par le décollement de couche limite. Ces derniers seront observés au départ par visualisation rapide à bas nombre de Kármán, puis à haut nombre de Kármán par le biais d'une analyse de clichés d'instantanés Piv. Pour étudier plus finement les occurrences de ces phénomènes tourbillonnaires pseudo-périodiques, une étude des contenus spectraux sera détaillée en s'intéressant au contenu spectral au voisinage du bulbe décollé et à la paroi, l'objectif étant de quantifier les fréquences ainsi que les phénomènes quasi-périodiques qui leur sont associés. L'analyse portera sur les spectres de fluctuations de vitesse et de frottement, pour lesquels différentes fréquences caractéristiques seront mises en évidence. L'optique étant ici d'associer les émergences fréquentielles aux diverses instabilités induites par le décollement de couche limite et également d'identifier spatialement leur évolution

Caractérisation expérimentale du décollement instationnaire autour d'un obstacle 2D

Nous présentons les résultats expérimentaux concernant la caractérisation de l'écoulement turbulent autour d'un obstacle 2D à la fois en écoulement confiné de type canal plan et en couche limite. L’objectif est d’étudier d’une part les effets Reynolds menant au décollement et d’autre part les mécanismes d'interaction entre les structures énergétiques et la zone décollée instationnaire. L’originalité de l’étude réside dans l’emploi de la méthode électrochimique polarographique en vue de caractériser expérimentalement le frottement pariétal sur l’obstacle. Ces résultats, et notamment les statistiques du frottement pariétales sont comparé favorablement avec des simulations numériques (DNS) récentes pour la même configuration d’essai. Les aspects instationnaires ainsi que les instabilités liées à la zone décollée ont également été clairement identifiées

Estimation stochastique d'un écoulement décollé en aval d'une bosse par méthode électrochimique.

L'objectif de cette communication est de mettre en avant le potentiel de la méthode électrochimique, en tant que méthode expérimentale, pour reconstruire la dynamique temporelle du champ de vitesse associé à un écoulement décollé en aval d'un corps profilé par le biais de traitements stochastiques. Pour cela, des mesures simultanées de frottement pariétal multipoint (obtenues par méthode électrochimique) à des fréquences résolvant la dynamique de l'écoulement et de champs de vitesse (obtenus par Piv) non resolus en temps, ont été réalisées dans la zone de recirculation en aval d'un obstacle 2D profilé. Le nombre de Reynolds considéré, basé sur la hauteur de l'obstacle, est de Reh = 580. Cette étude montre que le frottement instationnaire peut être utilisé avantageusement (en lieu et place de prises de pression instationnaires par exemple) en tant qu'observables pour procéder a une estimation stochastique du champ de vitesse. L'un des avantages majeurs est que le frottement pariétal se raccorde asymptotiquement au champ de vitesse contrairement a la pression. De part la reconstruction mise en oeuvre, cette etude permet également de souligner le phenomene de battement du bulbe décollé

Investigation of the dynamics in separated turbulent flow

Dynamical behavior of the turbulent channel flow separation induced by a wall-mounted two-dimensional bump is studied, with an emphasis on unsteadiness characteristics of vortical motions evolving in the separated flow. The present investigations are based on an experimental approach and Direct Numerical Simulation (Dns). The main interests are devoted to give further insight on mean flow properties, characteristic scales and physical mechanisms of low-frequencies unsteadiness. The study also aims to clarify the Reynolds number effects. Results are presented for turbulent flows at moderate Reynolds-number ranging from 125 to 730 where is based on friction velocity and channel half-height. A large database of time-resolved two-dimensional Piv measurements is used to obtain the velocity distributions in a region covering the entire shear layer and the flow surrounding the bump. An examination of both high resolved velocity and wall-shear stress measurements showed that for moderate Reynolds numbers, a separated region exists until a critical value. Under this conditions, a thin region of reverse flow is formed above the bump and a large-scale vortical activity is clearly observed and analyzed. Three distinct self-sustained oscillations are identified in the separated zone. The investigation showed that the flow exhibits the shear-layer instability and vortex-shedding type instability of the bubble. A low-frequency self-sustained oscillation associated with a flapping phenomenon is also identified. The experimental results are further emphasized using post-processed data from Direct Numerical Simulations, such as flow statistics and Dynamic Mode Decomposition. Physical mechanisms associated with observed self-sustained oscillations are then suggested and results are discussed in the light of instabilities observed in a laminar regime for the same flow configuration

Experimental characterization of the boundary layer separation dynamics induced by adverse pressure gradient and curvature effect

Ces travaux de recherche portent sur la caractérisation des phénomènes instationnaires associés aux écoulements décollés induits à la fois par un gradient de pression adverse et un effet de courbure. Ce type de décollement est très couramment rencontré, en particulier dans le secteur des transports. Cette étude repose sur une approche purement expérimentale réalisée en canal hydrodynamique à l’aide de techniques de mesure non intrusives permettant de ne pas dénaturer la dynamique très sensible du phénomène de décollement de couche limite. Le décollement est, dans notre cas de figure, provoqué par un obstacle 2dne présentant pas de rupture de pente. Le régime d’écoulement étudié est principalement turbulent et la gamme des nombres de Kármán analysée s’étale de 60 à 730. L’objectif principal de cette étude est d’évaluer les effets Reynolds sur l’étendue et l’existence même du phénomène de décollement de couche limite, mais également sur la dynamique des instabilités, identifiées à plus bas régime dans la littérature. Les mesures effectuées dans le cadre de ces travaux ont tout d’abord permis de constituer une base de donnéesexpérimentale étoffée, et d’établir que le décollement de couche limite ainsi que les instabilités induites par celui-ci, identifiées en régime laminaire, persistent à plus haut nombre de Kármán. Les fréquences associées aux instabilités ont également été identifiées ainsi que les paramètres caractéristiques pilotant leur dynamique. La dynamique spatio-temporelle de ces instabilités et en particulier celle du phénomène debattement du bulbe décollé a été détaillée notamment par le biais d’une analyse stochastique. Finalement, la répartition relativement étendue des grandes échelles tourbillonnaires associées aux mécanismes instables (soulignée notamment par leur émergence spectrale large bande) a également été mise en évidence, ainsi que certains phénomènes dynamiques secondaires. L’ensemble de ces résultats et en particulier l’identification des paramètres clés pilotant la dynamique du décollement de la couche limite s’avèreront très utiles en vue de concevoir par la suite des modèles simplifiés reproduisant le plus fidèlement possible la dynamique des décollements afin de mieux pouvoir les contrôler.These investigations concern the characterization of unsteady phenomena associated to the boundary layer separation induced by both an adverse pressure gradient and a curvature effects. This kind of separation is very usual, particularly in the transport field. This study, essentially based on an experimental approach, is carried out in an hydrodynamic channel using non intrusive measurement techniques. They respect the very sensitive dynamics of the boundary layer separation phenomenon. The separation is, in our case, induced by a 2d obstacle without sharp corner. The studied flow regime is mainly turbulentand the analyzed Kármán number ranges from 60 to 730. The main aim of this study is to estimate the Reynolds number effects on the boundary layer separation length and even on the existence of such phenomenon, but also on the instabilities dynamics, identified in the literature especially for laminar flow regime. The measurements made within the framework of these works allowed, first to built a large experimental database, and secondly to establish that the boundary layer separation and also the associate instabilities, identified for laminar flow, persist even for higher Kármán number. The frequencies associated to the instabilities phenomena have been also identified as well as the characteristic parameters driving their dynamics. The instabilities space-time dynamic, in particular those of the flapping phenomenon were detailed using stochastic analysis. Finally, the large scales distribution associated with the unstable mechanisms (underlined by their spectral broadband frequency range) were also highlighted, as well asothers secondary dynamic phenomena. All these results, especially the identification of the key parameters driving the boundary layer separation, will turn out very useful to design afterward simplified models reproducing as faithfully as possible the separation dynamics and to be able to control them better