Experimental Investigations on Fluidic Control Over an Airfoil

International audienceThis study presents the development of two fluidic actuators − namely, microjets and tangential blowing actuator (TBA), designed for flow separation control. The developed actuators are compact enough to fit inside an ONERA D profiled wing with a chord of 0.35 m. Test bench experiments showed that the microjets (resp. TBA) were able to produce exit velocities up to 330 m/s (resp. 60 m/s). These actuators were placed in the model and were tested in wind tunnels for various blowing rates. The investigations included the use of force balance measurements, on-surface flow visualization with pigmented oil, off-surface flow visualizations with smoke, surface pressure distribution measurements, and Particle Image Velocimetry (PIV). Most of the tests were performed at free-stream velocities between 20 m/s (for PIV) and 40 m/s, corresponding to Reynolds numbers in the range 0.47 × 10^6−0.93 × 10^6 . The angle of attack varied from −2 to 20 degrees. Experiments were conducted using the naturally occurring laminar boundary layer as well as for a turbulent boundary layer. In such a case, rough strips were used in the vicinity of the leading edge. The present tests show the efficiency of these devices to delay separation and improve aerodynamic performances of the wing: for example, a maximum of 30% gain in CL has been reached using the microjets. Both actuators tend to increase the lift coefficient CL after stall and areas of separated flow have been eliminated by applying control, as suggested by flow visualizations and PIV velocity fields

Etude experimentale du décollement sur profils d'aile (analyse et contrôle)

Le décollement de la couche limite est un phénomène aérodynamique, généralement indésirable sur un profil d'aile en incidence, qui occasionne une diminution des performances de la voilure. De nombreux auteurs ont montré qu'il est possible d'éliminer ou, le cas échéant, de retarder l'apparition des décollements en implantant des dispositifs de contrôle appelés actionneurs sur l'aile. Des actionneurs, de type fluidique, ont été comparativement utilisés sur deux configurations expérimentales : un profil épais symétrique NACA 0015, siège de décollements de type bord de fuite et un profil symétrique ONERA D caractérisé par des décollements de type bord d'attaque . Placés en proche paroi d extrados, les actionneurs se présentent sous la forme d injecteurs discrets ou sous la forme d une fente de faible épaisseur, le soufflage étant stationnaire ou instationnaire. Nous avons étudié l'influence de différents paramètres (géométrie des actionneurs, fréquence et intensité de l'excitation, ). Il a été possible de mettre en évidence une modification profonde des structures de l'écoulement sous les effets du contrôle qui favorise le processus de recollement de la couche limite et aboutit à une augmentation de la portance et à une réduction considérable de la traînée. Cette étude consacrée à la validation de l'efficacité de différents modes d'action et à la compréhension des mécanismes de recollement est actuellement complétée par une approche instationnaire du contrôle (quantification des temps de réponse caractéristiques des actionneurs et de l'écoulement). Elle constitue la première étape vers la mise en place sur les voilures, à plus long terme, d'un système de contrôle rétroactif.The separation of a boundary layer is generally an undesirable aerodynamic phenomenon over a pitched airfoil due to its adverse effects on the performances of the wing. Many authors have shown that it is possible to suppress or, at least, to delay separation by introducing control devices named actuators over the airfoil. Fluidic actuators have been tested on two experimental configurations: a NACA 0015 airfoil where a trailing-edge separation is occurring and an ONERA D, a symmetric airfoil characterized by leading-edge separation. The actuators, which are installed on the upper side of the wing, are composed either by a series of discrete injectors or a thin slot, the blowing being either steady or unsteady. We have studied the influence of different parameters (actuator geometry, excitation frequency and intensity ). We have discovered a significant modification of the flow structures under the effects of control which favour the reattachment process and lead to a lift increase and a considerable decrease in drag. This study is dedicated to the control authority of fluidic actuators in reattaching a separated shear layer. It is the first step towards the implementation of reactive control system. Future works involve the study of the physics of the dynamic process of attachment and separation.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Etude du décollement et recollement transitoire sur profil NACA 0015 contrôlé par générateurs de tourbillons fluidiques

Ce travail expérimental est consacré à l étude du décollement et du recollement transitoire sur profil NACA 0015 contrôlé par des Générateurs de Vortex Fluidique (FVG). Des essais sont effectués à un nombre de Reynolds de 1 million, et à une incidence de 11o. L écoulement sans contrôle est caractérisé par une zone décollée qui commence à xA-c=0,7 à partir du bord d'attaque (soit 30% de la corde) avec un minimum de vibrations. Pour effectuer le contrôle de l écoulement, 44 FVG sont installés à xA-c=0,3. Les effets de la FVG sont caractérisés par une augmentation de 16% du coefficient de portance et réduction de 30% du coefficient de traînée. Ces conditions permettent de déterminer des processus transitoires dans l écoulement pendant que les FVG pulsent à une fréquence de 1 Hz. Ils sont déterminées, par Décomposition Orthogonale aux Valeurs Propres (POD) de la PIV données obtenues à partir de moyennes en référence de phases; l échelle de temps caractéristique du décollement (_T+~20) est deux fois celle du recollement (_T+~10). Un système dynamique a été modélisé à partir des quartes premières modes, qui représente 98% de l énergie, temporelles de la POD. Dans une seconde expérience, des signaux de pression sur le profil dan la zone décollée, sont utilisés pour estimer l'évolution des fluctuations de vitesse par une technique d'Estimation Stochastique Linéaire (LSE). Les vitesses sont obtenues à partir d'un fil chaud en croix dans le sillage à xA-c=2 et l autre dans la couche de cisaillement à xA-c=0,91. Les grandes structures de l écoulement sont bien estimées pour les cas sans contrôle. Dans le cas du processus transitoire pendant l activation de la FVG, il y d abord a une augmentation de la taille des structures dans le sillage puis une diminution. A l arrêt du contrôle, la taille du sillage réaugmente progressivement. Un comportement similaire est observé dans la couche de cisaillement.This is an experimental study dedicated to the transient processes of flow separation and attachment over a NACA 0015 airfoil. Tests are performed at a Reynolds number of 1 million with the airfoil pitched at an incidence of 11o. The uncontrolled state is characterised by a separation size of 30% upstream from the trailing edge with minimal model vibration. A spanwise array of 44 angled fluidic vortex generators (FVG) is positioned at 30 percent of chord from the leading edge to control flow separation. Effects of the FVG are characterized by 16% improvement in CL and 30% reduction in Cd during the controlled steady state. These conditions allow deterministic changes in the wake and shear layer when operating the FVG in an on-off manner at a frequency of 1 Hz. It is estimated from the Proper Orthogonal Decomposition (POD) of the conditional averaged PIV data in the wake that the time taken for the separation ( T+~20) is twice that of attachment ( T+~10). A reduced order model has been realized based on the first four temporal modes, which represent 98% of the energy, of the POD. In a second experiment, pressure signals in the separated zone of the airfoil, are used as conditional signals to estimate the evolution of the fluctuating velocities using technique of Linear Stochastic Estimation (LSE). The velocities are acquired from a crosswire traversing in the wake at xA/c=2 and the shear layer at xA/c=0.91. A double and single vortex streets has been estimated in the wake and shear layer, respectively for the baseline uncontrolled case. In the case of the transient process in the wake during FVG deployment, there is an increase in the size of the vortex streets followed by a decrease in size. In the reverse process, there is a gradual re-establishment of the shear layer and gradual enlargement of the wake. The ability of the pressure signals in describing evolution of coherent structures motivates the use of its moving rms, after being filtered to retain the energy containing scales of the flow, to anticipate the onset of flow separation.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Collaborative studies on flow separation control

This paper presents the wind tunnel test results concerning the effects of deploying steady and synthetic jets on a NACA0015 airfoil and describes the design of a multi-orifice-single-chamber synthetic jet actuator. Three steady jets with different configurations were tested. The orifice diameter, orientation and spacing were the varying parameters. Synthetic jets were deployed through a single row of orifices that were orientated normal to the airfoil surface. A single row of each type was positioned at 30% of chord from the leading edge. These jets exhibited varying degree of control authority over the lift and drag coefficients. The timescales of attachment and separation were estimated for the test cases of angled steady and synthetic jets. In view of controlling the flow separation in a dynamic manner, a multi-orifice-single-chamber actuator with a typical response time smaller than that of the afore-mentioned time scales was designed, fabricated and tested in quiescent condition

Poly[(μ4-phenylphosphonato)zinc(II)]

The title two-dimensional coordination polymer, [Zn(C6H5PO3)]n, was synthesized serendipitously by reacting a tetraphosphonate cavitand Tiiii[C3H7, CH3, C6H5] and Zn(CH3COO)22H2O in a DMF/H2O mixture. The basic conditions of the reaction cleaved the phosphonate bridges at the upper rim of the cavitand, making them available for reaction with the zinc ions. The coordination polymer can be described as an inorganic layer in which zinc coordinates the oxygen atoms of the phosphonate groups in a distorted tetrahedral environment, while the phenyl groups, which are statistically disordered over two orientations, point up and down with respect to the layer. The layers interact through van der Waals interactions. The crystal studied was refined as a two-component twin