Contribution expérimentale au contrôle d'écoulement d'un corps épais par jets synthétiques (application à l'aérodynamique automobile)

Aujourd hui, la politique européenne incite les industriels de l automobile à concevoir des véhicules propres , ainsi des normes de plus en plus contraignantes visant notamment à réduire les émissions de gaz à effet de serre ont vu le jour. Les ingénieurs sont donc amenés à envisager des solutions innovantes basées sur le contrôle des écoulements, en particulier celui des décollements puisqu ils ont généralement des effets délétères sur les performances aérodynamiques. En effet, les phénomènes de décollement, inhérent aux corps épais, sont à l origine de l augmentation de la traînée et par conséquent de la consommation de carburant. Les travaux présentés dans ce mémoire sont dédiés au contrôle d écoulement en vue de la réduction de traînée sur un modèle générique de véhicule automobile appelé Corps de Ahmed par une combinaison d actionneur de type jets ynthétiques. Le mémoire s articule autour de deux axes principaux. Le premier a permis la caractérisation d actionneurs de type jets synthétiques, les fréquences et amplitudes optimales au regard de différents critères ont ainsi été identifiées et analysées. Le second a été consacré à étudier la réponse des structures décollés à des perturbations périodiques localisées afin de poursuivre la compréhension de la physique impliquée dans le contrôle de la traînée aérodynamique.Nowadays, the car manufacturers are forced by the european policy to follow more and more strict rules concerning the design of clean automotives, in order to reduce the gas emissions responsible for the greenhouse effect. The engineers have to consider innovative solutions based on flow control, particularly for flow separation which generally has deleterious effects on aerodynamic performance. Indeed, the separation phenomena, inherent to the bluff bodies, are at the origin of thedrag increase and consequently of the fuel consumption. The work presented in this thesis is dedicated to combinated flow separation control from simplified hatchback geometry (Ahmed body) by a synthetic jet. The thesis focuses on two main axes. The first axis has allowed the characterization of synthetic jets actuators, the frequencies and the optimal amplitudes with regard to various criteria were so identified and analyzed. The second axis was dedicated to study the separation flow structures response from local periodic disturbances in order to pursuing the physics knowledge involved in the aerodynamic drag control.VALENCIENNES-Bib. électronique (596069901) / SudocSudocFranceF

Evolution longitudinale des moments d’ordre deux dans un écoulement turbulent plan pleinement développé soumis à un soufflage pariétal et local

Cet article présente les résultats obtenus à partir d’une étude expérimentale concernant les effets du soufflage pariétal et local sur les statistiques d’ordre deux d’un écoulement turbulent pleinement développé dans un canal bidimensionnel. Le nombre de Reynolds relatif à la demi hauteur du canal est de l’ordre de 5000. La vitesse de soufflage normale à la paroi ne dépasse pas les 5% de la vitesse longitudinale sur l’axe du canal

Mesure du frottement pariétal instationnaire autour d'un corps épais 3D par méthode électrochimique

Notre étude expérimentale s'intéresse à l'écoulement autour d'un modèle générique de véhicule automobile. Cet écoulement présente notamment une forte interaction entre structures tourbillonnaires à proximité de la paroi de la lunette arrière. Cette étude se propose d'approfondir la compréhension de ce phénomène d'interaction. La méthode polarographique, permettant de mesurer directement le frottement pariétal instationnaire, associée à la vélocimétrie laser Doppler a permis de mettre en évidence la présence de fréquences caractéristiques non observées jusqu'ici dans la littérature

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

Etude aérodynamique d'une double marche descendante 3D appliquée à la sécurisation de l'appontage des hélicoptères sur les frégates

Cette étude s'inscrit dans le domaine de la sécurisation de l'appontage des hélicoptères sur les frégates. Il s'agit ici d'analyser le sillage aérodynamique d'une frégate générique modélisée par une double marche descendante dans le but de mieux comprendre ce type d'écoulement tridimensionnel instationnaire. Les champs de vitesse moyen et fluctuant ont été analysés essentiellement par voie expérimentale (PIV, fil chaud, visualisation pariétale ) et ont permis de valider la présence de structures tridimensionnelles mises en évidence grâce à une simulation numérique. Les résultats montrent en particulier la présence d'une asymétrie de l'écoulement moyen. Une étude fine autour de l'angle de dérapage nul a permis de confirmer le caractère bi-stable de l'écoulement autour de cette géométrie. Cette bi-stabilité a été observée dans différentes installations et pour un large éventail de conditions géométriques amont de la maquette. La compréhension de ce phénomène est déterminante avant toute tentative visant à mettre en oeuvre le contrôle de ce type d'écoulement complexe.This study is concerned about the safety of helicopter launch and recovery on frigates. Therefore, it consists in investigating the airwake of a simplified frigate, modeled by a 3D backward facing double step in order to have a better understanding of such 3D unsteady flows. The mean and fluctuating velocity fields have been analyzed mainly experimentally through PIV, hot-wire anemometry, oil-flow visualizations This has enabled to observe 3D structures, confirmed by a numerical computation. In particular, the results show a mean flow asymmetry. A sensitivity study around the zero degree yaw angle has shown that the flow is bi-stable for this geometry. This bi-stability has been observed in several wind-tunnels for a wide variety of upstream geometric conditions. The understanding of this phenomenon is required for future control of such complex flows.VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

Effets du soufflage sur les structures cohérentes dans un canal bidimensionnel

The control of turbulence and its concomitant phenomena are important for transport and environmental problems with aim to reduce or increase the skin friction and transfer phenomena. Various techniques can be achieved to perform the control of the boundary layer, the synthetic jet is one of the most popular. In this study, the effects of blowing through a porous strip in a turbulent channel flow were experimentally studied. Measurements were carried out for three blowing rates 3%, 5% and 8% of the velocity at the center of the channel. The results of the present study showed that blowing affects significantly the turbulent structures in the near wall region. Velocity profiles obtained with hot-wire anemometry show similar trends to those of a flow with a reduced skin friction. The wall blowing increases the turbulence intensities and the Reynolds shear stress. The analysis of the anisotropic invariant map indicated that with blowing, the anisotropy level in the near wall region appears to be lower than that of the unperturbed layer. Space-time correlations performed with hot-wire and hot-film show that the inclination angles in (x,y) and (x,z) planes increase with injection. These trends were confirmed by the PIV visualisations. The conditional analysis showed that the mean time between "bursts" is reduced with blowing. The results of the study suggest that blowing stimulates the break-up of the large structures in the near wall region and lead to a better acknowledgement of the turbulence mechanisms.Le contrôle de la turbulence trouve son intérêt dans de nombreux domaines tels que les transports et l environnement, avec pour objectif la réduction ou l augmentation du frottement et des phénomènes de transfert. Les techniques mettant en œuvre des jets synthétiques pour contrôler la couche limite sont parmi les plus utilisées. Dans cette étude, les effets d un soufflage localisé à travers une bande poreuse sur un écoulement turbulent pleinement établi dans un canal bidimensionnel ont été étudiés. Les mesures ont été réalisées pour trois taux de soufflage : 3%, 5% et 8% de la vitesse maximale. Les résultats de cette étude montrent que le soufflage affecte de manière significative les structures turbulentes de la région allant de la paroi jusqu à la zone tampon. Les profils de vitesse obtenus à l aide de l anémométrie à fil chaud présentent des caractéristiques voisines d un écoulement avec une réduction de frottement pariétal. L injection accroît fortement toutes les tensions de Reynolds. Les corrélations spatio-temporelles entre la vitesse et le frottement pariétal obtenues respectivement par fils et films chaud, montrent que le soufflage accroît l angle d inclinaison des structures cohérentes dans les plans (x,y) et (x,z). Ces résultats ont été confirmés et précisés par la PIV. L analyse conditionnelle sur les signaux anémométriques montre que le soufflage a pour effet de réduire le temps moyen entre burst . Tous ces résultats montrent que l injection à travers la bande poreuse a pour effet de détruire les grosses structures cohérentes dans la zone de proche paroi et permettent ainsi de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes de la turbulence.VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

Caractérisation pariétale instationnaire et contrôle de l'écoulement autour d'un corps épais

Ce travail expérimental entend contribuer à la compréhension des phénomènes physiques présents dans l écoulement autour d un modèle générique de véhicule, le corps de Ahmed. Cet écoulement se caractérise par le développement d un bulbe de recirculation encadré de deux structures tourbillonnaires longitudinales au voisinage immédiat de la paroi de la lunette arrière du modèle. Dans un premier temps, cet écoulement est étudié par méthode polarographique en canal hydrodynamique, cette méthode permettant l accès au frottement pariétal instationnaire. Par l utilisation de diverses méthodes d analyse, nous mettons en évidence la présence d instationnarités marquées dans l écoulement qui participent fortement à la complexité de la dynamique des différentes structures tourbillonnaires. Un contrôle de l écoulement au moyen d un déflecteur est ensuite étudié. L augmentation du bulbe décollé sur la lunette par le dispositif de contrôle permet, sous certaines conditions, une réduction de la traînée aérodynamique du corps de l ordre de 9%. Nous mettons l accent sur la compréhension des mécanismes physiques mis en jeu dans cette modification des efforts aérodynamiques, notamment par la caractérisation de l influence du contrôle sur la topologie de l écoulement. Nous montrons notamment que l amplification imposée au bulbe de recirculation permet l affaiblissement, puis la destruction, des structures longitudinales. Cette étude montre ainsi qu il est nécessaire de prendre en compte toutes les structures tourbillonnaires autour de ce type de configuration tridimensionnelle afin de mettre en œuvre des stratégies de contrôle plus efficaces.To be efficient, strategies aiming at reducing automotive vehicles aerodynamic drag have to be based on an increased knowledge of the physical phenomena present in the flow around the vehicle. This experimental work intends to contribute to the understanding of these phenomena by focusing on the flow around a generic vehicle model, the Ahmed body. This flow is characterized by the development of a recirculation bubble surrounded by two longitudinal vortex structures in the immediate neighborhood of the model rear window. At first, this flow is studied by polarographic method in a water tunnel, this method permits the unsteady wall shear stress measurement. This physical quantity is particularly sensitive to the presence of coherent structures in the near-wall region. By the use of different analysis methods, we highlight the presence of marked unsteadinesses in the flow strongly participating in the complex dynamics of the vortex structures. A flow control using a deflector is then studied. The increase in the separated bubble on the rear window by the device allows, under certain conditions, a drag reduction of about 9%. We focus on the understanding of the physical mechanisms involved in this modification of the aerodynamic stresses, in particular by characterizing the influence of the control on the flow topology. The modification of the balance existing between the separated zone on the window and the longitudinal vortex structures developing at its contact allows the decrease in their contribution to the aerodynamic drag. We show that the increase imposed in the recirculation bubbles allows the weakening, then the destruction, of the longitudinal vortices. This study shows that it is necessary to take all the vortex structures into account around this kind of three-dimensional configuration in order to design more efficient flow control strategies.VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

Etude expérimentale de l'écoulement autour d'un cylindre en rotation perpendiculairement à l'écoulement moyen

Dans un écoulement, l étude des zones décollées revêt un intérêt certain de part les phénomènes nuisibles qu elles engendrent. Il est donc important de contrôler ce décollement, voire même le supprimer. Le moyen de contrôle utilisé ici repose sur la rotation d un cylindre perpendiculairement à un écoulement. Deux techniques de mesures ont été utilisées : la Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) et la Vélocimétrie Laser par effet Doppler (LDV). Les mesures ont été réalisées pour trois nombres de Reynolds et pour différentes valeurs de (rapport entre la vitesse périphérique du cylindre et celle de l écoulement). Cette étude a permis de montrer que le nombre de Strouhal augmente avec et de vérifier le critère de décollement suggéré par Moore, Rott et Sears. Nous avons montré que le maximum du taux de fluctuation de vitesse tangentielle constitue un excellent critère pour localiser le décollement autour du cylindre en rotation. Le critère basé sur le maximum de la composante radiale permet de déterminer qualitativement la position du point de décollement. Le champ de vitesse fourni par la PIV a permis de localiser la position du point d arrêt qui se déplace dans le sens opposé à la rotation du cylindre. L analyse du champ de vorticité montre que c est dans la région où le cylindre se déplace dans le sens opposé de l écoulement que l iso-vorticité est la plus intense. On montre que la vorticité disparaît, quand la vitesse périphérique du cylindre est quatre fois supérieure à celle de l écoulement. Les résultats obtenus à l aide de simulations numériques de type (k- ) ont montré leur limite quant à leur prédiction de l écoulement en dehors de la zone de sillage.In a flow, the study of separated zones presents a major interest because of the perturbation that it generates. It is thus significant to control this separation, and even to remove it. The control used here is based on a rotating cylinder in cross flow. Two measurement techniques were used: Particle Image Velocimetry (PIV) and Laser-Doppler Velocimetry (LDV). Measurements were carried out for three Reynolds numbers and for various values of (ratio between the peripheral speed of the cylinder and the free stream velocity). This study shows that the Strouhal number increases with and to verify the criterion of separation suggested by Moore, Rott and Sears. We showed that the maximum of the tangential velocity fluctuation rate is an excellent criterion to localize separation around the rotating cylinder. The criterion based on the maximum of the radial velocity component permits to determine qualitatively the position of the separation point. It is noted that the vorticity disappears, when the speed of the cylinder is four times higher than the free stream velocity. The velocity field provided by the PIV permits to locate the stagnation point which moves with an opposing motion to that of the cylinder. The analysis of the vorticity field shows that it is in the region where the cylinder moves in the opposite direction of the flow that the iso-vorticity is much more strong. The results obtained by the (k- ) numerical simulations fail to predict the flow field around the rotating cylinder except in the wake of the cylinder.VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

Etude expérimentale du frottement pariétal instationnaire

L objectif de cette thèse est de déterminer expérimentalement l évolution temporelle du frottement pariétal instationnaire en présence d une propagation d onde de pression. L écoulement transitoire est obtenu suite à la fermeture brusque d une vanne située à l extrémité aval d une conduite où l écoulement est initialement permanent. L étude expérimentale de l écoulement transitoire est réalisée par vélocimétrie ultrasonore à effet Doppler pour les mesures des profils de vitesse instantanés et par la méthode polarographique pour la détermination du frottement pariétal local. Ces mesures ont permis de mettre en évidence l effet des ondes de pression sur les profils de vitesse et sur le frottement pariétal. Les résultats ont permis de montrer que l approche quasi-stationnaire pour la détermination du frottement instationnaire n est valable que dans le cas où les caractéristiques de l écoulement varient peu. Lorsque l écoulement est soumis à de fortes accélérations et décélérations, cette approche n est plus applicable. Cette étude a permis de confirmer tout en les précisant, certains modèles basés sur l accélération instantanée. L analyse des résultats montre que le coefficient empirique de l accélération instantanée utilisé dans de nombreux modèles dépend intimement de la nature de l événement transitoire, de l intensité des accélérations ou des décélérations et du temps et que le frottement instationnaire est en phase avec l accélération. On montre que l échelle de temps d un événement transitoire est un paramètre essentiel dont il faut tenir compte pour une meilleure prédiction du frottement pariétal dans un écoulement instationnaireThe aim of this thesis is to find out experimentally the temporal evolution of unsteady skin friction in the presence of a propagation of pressure wave. The transient flow is obtained downstream sudden valve closure. The experimental study of the transient flow is carried out by Ultrasonic pulsed Doppler velocimetry to measure the instantaneous velocity profiles and by the polarographic method to determine the local skin friction. These measurements made it possible to highlight the effect of the waves of pressure on the velocity profiles and skin friction. The results made it possible to show that the quasi-steady approach to determine the unsteady friction is valid only if the characteristics of the flow vary little. When the flow is subjected to strong accelerations and decelerations, this approach is not applicable. This study made it possible to confirm all while specifying them, certain models based on the instantaneous acceleration. The analysis of the results shows that the empirical coefficient of the instantaneous acceleration used in many models depends closely on the nature of the transient event, of the intensity of accelerations or decelerations and the time. It is shown that the scale of time of a transient event is an essential parameter of which it is necessary to hold account for a better prediction of skin friction in a transient flowVALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

ETUDE DES STRUCTURES DE LA TURBULENCE EN ECOULEMENT DE TYPE COUCHE LIMITE SUR PAROIS LISSE ET RUGUEUSE

VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocNANCY/VANDOEUVRE-INPL (545472102) / SudocSudocFranceF