Influence of the porosity pattern on the aerodynamics of a square plate

The evolution of the normal aerodynamic coefficient of 19 configurations of square plates with various porosity patterns, ranging from solid plate to homogeneous porous plate, is experimentally characterized. The variation of the porosity pattern is obtained by partially covering the holes of a commercial fly-swatter using adhesive tape. Evolution of the normal aerodynamic coefficient is assessed from the measurement of the angular position of the porous plate, placed as a freely rotating pendulum swept by a flow in a wind tunnel. These angular measurements are also supported by PIV measurements of the structure of the wake. We show that the porosity pattern determines whether or not an abrupt stall occurs. In particular, the details of the porosity pattern on the edges of the plate are decisive for the existence of abrupt stall

Interactions fluide-structure de systèmes pendulaires multistables

Lorsqu’un objet est placé dans un écoulement, celui-ci est dévié et de cette déviation résultent l’apparition de tourbillons et la génération de forces de réaction du fluide, telles que la traînée et la portance. Si maintenant, l’objet en question est libre de se mouvoir, un couplage s’installe entre les mouvements de l’objet et de l’écoulement environnant, du domaine des interactions fluide-structure. Dans cette thèse, le couplage entre un système pendulaire et un écoulement d’air est étudié expérimentalement et théoriquement. Placé dans une soufflerie, un pendule circulaire présente notamment une bistabilité sur une gamme de vitesse de vent, tandis qu’un rectangle n’en présente aucune. En variant le rapport d’aspect du pendule rectangulaire et en visualisant le sillage d’un disque fixe, nous proposons une origine à l’existence ou non de la bistabilité, en lien avec le phénomène de décrochage. L’influence de la turbulence incidente sur ce phénomène est ensuite approfondie ainsi que le lien entre les fluctuations d’angle du pendule et celles de l’écoulement, amont comme aval. En revenant à la bistabilité elle-même, des transitions spontanées d’un état stable à l’autre sont observées, dont le cadre de la transition vers la turbulence permet une modélisation et suggère certains mécanismes à l’œuvre dans le sillage, notamment des évènements aérodynamiques rares. La modification des paramètres géométriques du pendule permet de varier la plage de vitesses pour laquelle la bistabilité existe, et ainsi observer des sauts entre les deux positions, à même vitesse d’écoulement. Enfin, lorsque le pendule est équilibré, son mouvement est dicté par l’écoulement uniquement et alors qu’un modèle quasi-statique est insuffisant à la description de la dynamique réelle du pendule, nous établissons deux manières de prendre en compte la rétroaction dynamique de l’écoulement, l’une empirique et l’autre basée sur les vibrations induites par vortex.When in a flow, an object deviates it and from this deviation are generated vortices and flow reaction forces, such as drag and lift. If yet the object is free to move, its movement can couple with the surrounding flow, falling into the domain of fluid-structure interactions. In this PhD thesis, the coupling between a pendular system and an air flow is studied both experimentally and theoretically. Placed in a wind tunnel, a disk pendulum presents a bistability for a range of flow velocity, while a rectangular one does not. By varying the aspect ratio of such rectangle and visualizing the wake behind a fixed disk, we propose an origin on whether or not the bistability emerges, linking it to stall phenomenon. The influence of ambient turbulence on this phenomenon is then investigated together with the link between angular fluctuations and flow variations, both upstream and downstream. Going back to the bistability itself, spontaneous transitions between stable states are observed and a model inspired from the transition to turbulence suggest certain mechanisms in the wake triggering such transitions, in particular rare aerodynamical events. Modifying geometrical parameters of the pendulum enables the adjustment of the range of velocity for which the bistability occurs, and with it, we could observe jumps between both transitions at the same flow rate. Finally, when the pendulum is balanced, its movement is only driven by the flow and while a quasi-static modelling is not sufficient to describe the real dynamics of the pendulum, we introduce two ways of accounting for the dynamical retroaction of the flow in the equation of movement, one empirical and the other based on vortex-induced vibration theory

Interactions fluide-structure de systèmes pendulaires multistables

When in a flow, an object deviates it and from this deviation are generated vortices and flow reaction forces, such as drag and lift. If yet the object is free to move, its movement can couple with the surrounding flow, falling into the domain of fluid-structure interactions. In this PhD thesis, the coupling between a pendular system and an air flow is studied both experimentally and theoretically. Placed in a wind tunnel, a disk pendulum presents a bistability for a range of flow velocity, while a rectangular one does not. By varying the aspect ratio of such rectangle and visualizing the wake behind a fixed disk, we propose an origin on whether or not the bistability emerges, linking it to stall phenomenon. The influence of ambient turbulence on this phenomenon is then investigated together with the link between angular fluctuations and flow variations, both upstream and downstream. Going back to the bistability itself, spontaneous transitions between stable states are observed and a model inspired from the transition to turbulence suggest certain mechanisms in the wake triggering such transitions, in particular rare aerodynamical events. Modifying geometrical parameters of the pendulum enables the adjustment of the range of velocity for which the bistability occurs, and with it, we could observe jumps between both transitions at the same flow rate. Finally, when the pendulum is balanced, its movement is only driven by the flow and while a quasi-static modelling is not sufficient to describe the real dynamics of the pendulum, we introduce two ways of accounting for the dynamical retroaction of the flow in the equation of movement, one empirical and the other based on vortex-induced vibration theory.Lorsqu’un objet est placé dans un écoulement, celui-ci est dévié et de cette déviation résultent l’apparition de tourbillons et la génération de forces de réaction du fluide, telles que la traînée et la portance. Si maintenant, l’objet en question est libre de se mouvoir, un couplage s’installe entre les mouvements de l’objet et de l’écoulement environnant, du domaine des interactions fluide-structure. Dans cette thèse, le couplage entre un système pendulaire et un écoulement d’air est étudié expérimentalement et théoriquement. Placé dans une soufflerie, un pendule circulaire présente notamment une bistabilité sur une gamme de vitesse de vent, tandis qu’un rectangle n’en présente aucune. En variant le rapport d’aspect du pendule rectangulaire et en visualisant le sillage d’un disque fixe, nous proposons une origine à l’existence ou non de la bistabilité, en lien avec le phénomène de décrochage. L’influence de la turbulence incidente sur ce phénomène est ensuite approfondie ainsi que le lien entre les fluctuations d’angle du pendule et celles de l’écoulement, amont comme aval. En revenant à la bistabilité elle-même, des transitions spontanées d’un état stable à l’autre sont observées, dont le cadre de la transition vers la turbulence permet une modélisation et suggère certains mécanismes à l’œuvre dans le sillage, notamment des évènements aérodynamiques rares. La modification des paramètres géométriques du pendule permet de varier la plage de vitesses pour laquelle la bistabilité existe, et ainsi observer des sauts entre les deux positions, à même vitesse d’écoulement. Enfin, lorsque le pendule est équilibré, son mouvement est dicté par l’écoulement uniquement et alors qu’un modèle quasi-statique est insuffisant à la description de la dynamique réelle du pendule, nous établissons deux manières de prendre en compte la rétroaction dynamique de l’écoulement, l’une empirique et l’autre basée sur les vibrations induites par vortex

Interactions fluide-structure de systèmes pendulaires multistables

When in a flow, an object deviates it and from this deviation are generated vortices and flow reaction forces, such as drag and lift. If yet the object is free to move, its movement can couple with the surrounding flow, falling into the domain of fluid-structure interactions. In this PhD thesis, the coupling between a pendular system and an air flow is studied both experimentally and theoretically. Placed in a wind tunnel, a disk pendulum presents a bistability for a range of flow velocity, while a rectangular one does not. By varying the aspect ratio of such rectangle and visualizing the wake behind a fixed disk, we propose an origin on whether or not the bistability emerges, linking it to stall phenomenon. The influence of ambient turbulence on this phenomenon is then investigated together with the link between angular fluctuations and flow variations, both upstream and downstream. Going back to the bistability itself, spontaneous transitions between stable states are observed and a model inspired from the transition to turbulence suggest certain mechanisms in the wake triggering such transitions, in particular rare aerodynamical events. Modifying geometrical parameters of the pendulum enables the adjustment of the range of velocity for which the bistability occurs, and with it, we could observe jumps between both transitions at the same flow rate. Finally, when the pendulum is balanced, its movement is only driven by the flow and while a quasi-static modelling is not sufficient to describe the real dynamics of the pendulum, we introduce two ways of accounting for the dynamical retroaction of the flow in the equation of movement, one empirical and the other based on vortex-induced vibration theory.Lorsqu’un objet est placé dans un écoulement, celui-ci est dévié et de cette déviation résultent l’apparition de tourbillons et la génération de forces de réaction du fluide, telles que la traînée et la portance. Si maintenant, l’objet en question est libre de se mouvoir, un couplage s’installe entre les mouvements de l’objet et de l’écoulement environnant, du domaine des interactions fluide-structure. Dans cette thèse, le couplage entre un système pendulaire et un écoulement d’air est étudié expérimentalement et théoriquement. Placé dans une soufflerie, un pendule circulaire présente notamment une bistabilité sur une gamme de vitesse de vent, tandis qu’un rectangle n’en présente aucune. En variant le rapport d’aspect du pendule rectangulaire et en visualisant le sillage d’un disque fixe, nous proposons une origine à l’existence ou non de la bistabilité, en lien avec le phénomène de décrochage. L’influence de la turbulence incidente sur ce phénomène est ensuite approfondie ainsi que le lien entre les fluctuations d’angle du pendule et celles de l’écoulement, amont comme aval. En revenant à la bistabilité elle-même, des transitions spontanées d’un état stable à l’autre sont observées, dont le cadre de la transition vers la turbulence permet une modélisation et suggère certains mécanismes à l’œuvre dans le sillage, notamment des évènements aérodynamiques rares. La modification des paramètres géométriques du pendule permet de varier la plage de vitesses pour laquelle la bistabilité existe, et ainsi observer des sauts entre les deux positions, à même vitesse d’écoulement. Enfin, lorsque le pendule est équilibré, son mouvement est dicté par l’écoulement uniquement et alors qu’un modèle quasi-statique est insuffisant à la description de la dynamique réelle du pendule, nous établissons deux manières de prendre en compte la rétroaction dynamique de l’écoulement, l’une empirique et l’autre basée sur les vibrations induites par vortex

Rare Event-Triggered Transitions in Aerodynamic Bifurcation

International audienc

Influence of the porosity pattern on the aerodynamics of a square-shaped fly-swatter

International audienceThe evolution of the normal aerodynamic coefficient of 19 configurations of square plates with various porosity patterns, ranging from solid plate to homogeneous porous plate, is experimentally characterized. The variation of the porosity pattern is obtained by partially covering the holes of a commercial fly-swatter using adhesive tape. Evolution of the normal aerodynamic coefficient is assessed from the measurement of the angular position of the porous plate, placed as a freely rotating pendulum swept by a flow in a wind tunnel. These angular measurements are also supported by particle image velocimetry (PIV) measurements of the structure of the wake. We show that the porosity pattern determines whether or not an abrupt stall occurs. In particular, the details of the porosity pattern on the edges of the plate are decisive for the existence of abrupt stall

Fluidelastic modeling of a weathercock stabilization in a uniform flow

International audienceThe relaxation dynamics of a weathercock free-to-rotate, in the presence of a uniform flow, as it aligns with the flow direction, is investigated experimentally in a wind-tunnel. The dynamics is observed to conveniently follow a damped harmonic oscillator behavior. At first order, the frequency is set by the aerodynamic coefficients. We show that a quasi static approach fails to precisely describe the relaxation dynamics and that non-stationary corrections are required to model the dynamics. A first strategy is to introduce added mass, added stiffness and added damping to the quasi-static approximation, following what is usually done in the context of vortex-induced vibrations. A second strategy is to introduce empirical corrections, whose scaling is obtained from the analysis of the experimental data. Finally, these two strategies are compared and we discuss the physical interpretations of the non-stationary corrections