Three-dimensional separation in shock/boundary layer interaction

A Large-eddy simulation of a shock impinging on a turbulent boundary layer is carried out and demonstrates good agreement with the experiments. A special emphasis is put on the analysis of the three-dimensional modulation of the flow in order to clarify the origin of the mean vortices located in the separation region highlighted by the experimen

Modelling the Dissipation Equation in Supersonic Turbulent Mixing Layers with High Density Gradients

In this work, the ability of a ke model, to compute mixing layers with significant density gradients, is discussed. It is shown that as in boundary layers, deficiencies appear for compressible flows, even if the ke model is improved by compressibility corrections. A modification of the sige coefficient is proposed to compute efficiently compressible mixing layers with high density variations. This new formulation leads to a separate modelling of the subsonic and supersonic effects. The results are presented on mixing layer computations with density ratios between 1/7 (velocity/density co-gradients) and 7 (velocity/density cross-gradients), and the convective Mach number evolves from 0.3 to 1. They show a clear improvement of the capability of the ke model to accurately compute high speed mixing layers

Un modèle pour les instationnarités basses fréquences dans les décollements compressibles.

Un modèle pour expliquer les instationnarités basses fréquences dans les décollements de couche limite induits par onde de chocs est proposé, dans les cas où l'écoulement recolle en aval. Ce modèle est basé sur les propriétés d'entraînement de la couche de mélange générée en aval du choc réfléchi, dont les mouvements basses fréquences sont liés aux contractions/dilatations successives du bulbe décollé. Ce modèle sera appliqué à différentes interactions, pour des nombres de Mach allant de 0 à 5

Instationnarités en écoulements décollés supersonique

Les écoulements décollés sont fortement instationnaires, l'objectif de cette thèse a été de localiser et d'identifier les phénomènes à la source de ces instationnarités et de comprendre les processus physiques permettant le transfert de l'information de ces zones sources au reste de l'écoulement. Pour ce faire une analyse des résultats issus de simulations numériques a été réalisée. En étudiant la corrélation et la cohérence entre les positions de choc et les fluctuations de pression, l'interaction a pu être séparée en plusieurs parties distinctes. A l'aide de la théorie des caractéristiques définissant les directions et les cinématiques de propagation de l'information, les liens spatio-temporels entre ces différentes régions ont pu être déterminés. Les résultats de ces études couplés avec ceux issus des expériences ont montré clairement que les phénomènes se produisant à l'intérieur de la zone de recirculation existant en aval du choc de décollement gouvernent la dynamique de la totalité de l'interaction, aussi bien à basse fréquence qu'à moyenne fréquence. Ainsi les mouvements de choc apparaissent comme le miroir des phénomènes se produisant à l'intérieur de la zone décollée. Une représentation équivalente en fluide non visqueux permettant une description du comportement instationnaire de l'interaction a aussi été proposée.Separated flow are often strongly unsteady; the aim of this thesis is to localize and identify the sources of the unsteadiness and to understand the physical phenomena governing the information transfer from these source zones to the rest of the flow. To do this, data used for this analysis have been obtained from numerical simulations (LES). Both cross-correlation and coherence between shock motion and pressure fluctuations have shown that the interaction can be split in several distinct zones. The theory of characteristics is used to define the information paths and the propagation velocities, so that the space-time links between these regions have been determined. Both numerical and experimental studies have clearly shown that phenomena present within the recirculation buble govern the whole of the interaction, at low and intermediate frequencies. Indeed the shock motions appears as the mirror of phenomena present in the separated zone. An inviscid equivalent scenario has been proposed to represent the interaction.AIX-MARSEILLE1-Bib.electronique (130559902) / SudocSudocFranceF

Contrôle de l'oscillation d'une onde de choc en écoulement transsonique de canal

La présente étude a pour objectif d'analyser les aspects instationnaires de l'interaction transsonique entre une onde de choc oscillante et une couche limite décollée en écoulement de canal. L'oscillation de l'onde de choc est forcée par une évolution périodique de la section d'un col aval, au moyen d'une came elliptique en rotation placée au voisinage de ce col, au milieu du canal. La came en rotation génère des ondes de pression qui vont remonter l'écoulement. La paroi inférieure du canal en forme de bosse va permettre un décollement de l'écoulement. L'évolution du bulbe de décollement pendant le cycle d'oscillation du choc a été quantifiée expérimentalement avec précision. Par les calculs, le cycle d'oscillation du choc est correctement reproduit mais l'extension de la région décollée est toujours sous-estimée. L'impact de techniques de contrôle sur la couche limite et sur l'oscillation forcée de l'onde de choc a été caractérisé. Le contrôle actif a permis de réduire l'oscillation.AIX-MARSEILLE1-BU Sci.St Charles (130552104) / SudocSudocFranceF

Instationnarités dans les décollements compressibles (cas des couches limites soumises à ondes de choc)

Une interaction entre une onde de choc oblique et une couche limite turbulente sur plaque plane, à un nombre de Mach de 2.3 a été étudiée expérimentalement. Ces interactions, pour des ondes de choc assez fortes, engendrent le décollement et le recollement de la couche limite, et sont le siège d'instationnarités basses fréquences dont les origines sont mal connues. Ces instationnarités ont été caractérisées expérimentalement en partie dans des travaux précédents, et des similarités entre l'interaction étudiée ici et d'autres configurations d'interactions ainsi qu'avec les décollements de couche limite subsonique ont été mis en évidence, suggérant que les mécanismes responsables des instationnarités sont de même nature. Pour ces travaux, la Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV) a été utilisée afin de décrire spatialement l'organisation longitudinale et transversale de cette interaction. L'exploitation des mesures a mis en évidence un lien statistique fort entre les mouvements basses fréquences du choc réfléchi et les contractions/dilatations successives du bulbe décollé. L interprétation proposée est que les grands mouvements du choc sont liés aux pulsations basses fréquences du décollement, associées à sa réalimentation intermittente en air frais. Un modèle aérodynamique en a été déduit et permet de préciser les principaux paramètres contrôlant l échelle de temps du phénomène. En particulier, il permet de déterminer la fréquence des battements du choc. Ce modèle a été appliqué aux interactions sur plaques planes ainsi que pour d'autres configurations expérimentales, pour un éventail de nombres de Mach allant de M=0 à 5, et montre un bon accord avec les mesures.An interaction between an oblique shock wave and a fully developed turbulent boundary layer on a flat plate, at Mach number 2.3, has been studied experimentally. This kind of interaction, for strong enough shock waves, induces separation and reattachment of the boundary layer, and is characterized by a strong unsteadiness at low frequencies. The origin of this low frequency motions is not well known. It has been partly characterized experimentally in previous studies, and common features have been observed between the present interaction, others configurations (compression ramps, blunt fins, etc...) and subsonic separation, suggesting that the governing mechanisms of the unsteadiness are of same nature. In this work, Particle Image Velocimetry (PIV) has been used in order to describe the spatial organization of this interaction. A strong statistical link has been shown between the low frequency unsteadiness of the separation shock and the successive contractions/dilatations of the detached bubble. The proposed interpretation is that the large scale movements of the separation shock is linked to the low frequency pulsations of the recirculating bubble, associated with an intermittent fluid realimentation. An aerodynamic model is proposed and determines the main parameters which influence the time scale of the phenomenon. In particular, this model gives the typical frequency for the unsteady reflected shock. This model has been applied for several experimental configurations, for Mach numbers from 0 to 5, and shows a good agreement with measurements.AIX-MARSEILLE1-BU Sci.St Charles (130552104) / SudocAIX-MARSEILLE1-Inst.Médit.tech (130552107) / SudocSudocFranceF

Maîtrise du décollement de tuyère. Analyse du comportement d'une tuyère de type TOC et définition d'un nouveau concept (le BOCCAJET)

Cette recherche s articule en deux parties. L objectif de la première partie est d analyser par voie expérimentale et numérique la phénoménologie du décollement interne, dit décollement de jet (en regimes transitoire et établi) dans les tuyères supersoniques refroidies par film fluide. La deuxième partie porte sur la réinterprétation des concepts de tuyère existants pour aboutir à la proposition d un nouveau dispositif de détente supersonique, qui offre une résistance accrue au décollement de jet. La première partie de cette thèse est basée sur l analyse des résultats expérimentaux obtenus lors de la campagne d essais réalisée à l ONERA. Ces essais, ont mis en évidence des spécificités de comportement de la tuyère, inhérentes à la manière d amorcer le jet supersonique principal par rapport à l établissement du film pariétal. Ces mêmes expériences ont permis d étudier le comportement instationnaire du décollement de jet lorsque les conditions d alimentation sont maintenues en régime établi. L apparition de fréquences caractéristiques a été mise en évidence et leur origine a été étudiée à l aide de simulations numériques. En nous appuyant sur les considérations issues de la première partie de l étude, une revue critique des concepts de tuyère existants a été menée. Ce travail a permis d identifier une lacune majeure dans la définition des tuyères à écoulement interne, à savoir l absence d une barrière qui puisse prévenir l occurrence du décollement de jet. Ainsi, nous avons proposé la conjonction d un dispositif à écoulement externe (aerospike) et d une tuyère classique afin de résoudre cette problématique in nuce, en créant une barrière fluidique continue tout autour du plan de sortie de la tuyère principale. L efficacité de ce concept a donc été prouvée par calcul, puis une campagne expérimentale a été organisée afin de valider les résultats obtenus.This research is in two parts. The objective of the first part is to analyse by experimental and numerical means the phenomenology of nozzle flow separation in transient and steady state conditions. The second part of this research work focuses on the reinterpretation of existing concepts of converging-diverging nozzles, leading to the proposal of a new supersonic expansion device, with improved flow separation characteristics.Experimental data, collected during the test campaign conducted at ONERA, have been analysed and are presented in the first part of this thesis. Obtained results highlight some peculiarities of the transient behavior of the nozzle, mostly dependent on the synchronisation between the start-up phase of the main jet and the grow-up of the wall film. These same experiments have been also used to investigate the unsteadiness of the flow separation, when nozzle feeding conditions are maintained constant. Appearance of characteristic frequencies has been highlighted and their origin has been investigated by CFD simulations.In the second part, a critical review of existing nozzle concepts was conducted. This allowed identifying a major gap in the definition of traditional supersonic nozzles, namely the absence of a "barrier" that can prevent the occurrence of the flow separation. Thus, in the second part of this thesis we propose a new nozzle concept. It is based on the combination of a small aerospike and a conventional nozzle (main flow). Such an arrangement allows solving the flow separation problem in nuce. The effectiveness of this concept has been proved by calculation and by an experimental test campaign.AIX-MARSEILLE1-Bib.electronique (130559902) / SudocSudocFranceF

Instationnarités, mouvements d'onde de choc et tourbillons à grandes échelles dans une interaction onde de choc / couche limite avec décollement

Une étude expérimentale effectuée à Mach 2.3 dans une interaction choc oblique-couche limite turbulente avec décollement pour plusieurs angles de déflexion de l'écoulement a permis de caractériser différentes régions en termes d'échelles de temps et d'espace : le choc réfléchi instationnaire oscillant à basse fréquence sur des longueurs d'excursion variant en paroi d'une à deux fois l'épaisseur de couche limite et une fréquence adimensionnelle associée regroupant les résultats et ceux obtenus dans d'autres configurations d'interaction. Le décollement présente de fortes similitudes avec les décollements subsoniques, avec certaines spécificités de compressibilité. L'étude des connexions entre le choc instationnaire et le décollement a permis de revisiter les mécanismes proposés dans la littérature. L'organisation transversale du décollement a révélé à l'aide de mesures PIV, deux tourbillons trombe contra-rotatifs aux fréquences de rotation voisines de celles caractérisant le choc réfléchi.AIX-MARSEILLE1-BU Sci.St Charles (130552104) / SudocSudocFranceF

Analyse physique et modélisation des instationnarités dans les écoulements d'arrière-corps transsoniques

AIX-MARSEILLE1-Inst.Médit.tech (130552107) / SudocAIX-MARSEILLE2-BU Sci.Luminy (130552106) / SudocSudocFranceF

Turbulent Shear Layers in Supersonic Flow

A good understanding of turbulent compressible flows is essential to the design and operation of high-speed vehicles. Such flows occur, for example, in the external flow over the surfaces of supersonic aircraft, and in the internal flow through the engines. Our ability to predict the aerodynamic lift, drag, propulsion and maneuverability of high-speed vehicles is crucially dependent on our knowledge of turbulent shear layers, and our understanding of their behavior in the presence of shock waves and regions of changing pressure. Turbulent Shear Layers in Supersonic Flow provides a comprehensive introduction to the field, and helps provide a basis for future work in this area. Wherever possible we use the available experimental work, and the results from numerical simulations to illustrate and develop a physical understanding of turbulent compressible flows