Charactérisation à haute fréquence d'un jet balayant

International audienceSweeping jets are an emerging type of actuators that have gained interest due to their potential use in flow control applications. The working principle of these devices is based on the bi-stable attachment of a jet to adjacent walls. They are able to produce unsteady blowing within a wide range of operating frequencies. Nevertheless, the state of art shows a lack of space-time characterization of these actuators for high sweeping frequencies. This paper resents a conditional approach that reconstructs the spatial dynamic response of sweeping jets for sweeping frequencies above 500 Hz. The time-dependent velocity is measured with two single-hot-wire sensors: a reference one placed at the edge of the exit nozzle, and a flying one. The method is then tested to characterize the flow at the exit nozzle of an in-house sweeping jet actuator with 1mm space resolution, and 50 µs time resolution. These measurements are performed with a sweeping frequency of 639 Hz. Overall this paper demonstrates that the conditional approach is very useful for understanding the physics of flow control actuators.Les jets balayants sont des actionneurs fluidiques en pleine extension dans le domaine du contrôle actif des écoulements de par leur large gamme de fréquences et de vitesses. Ils se basent sur le phénomène de bi-stabilité de détachement de l'écoulement sur les parois interne de l'actionneur. Cependant la littérature montre une faiblesse pour la caractérisation expérimentale à haute fréquence de l'écoulement en sortie d'actionneur. Ce papier présente une méthode de reconstruction résolue en espace et en temps, basée sur une approche conditionnelle permettant de reconstruire l'écoulement pour des fréquence de balayage supérieures à 500Hz. Les signaux de vitesse résolus en temps sont mesurés à l'aide de deux fils chauds : un fixe pour le signal de synchronisation et un mobile, se déplaçant sur un maillage de finesse 1mm. Cette méthode est ensuite appliquée à un actionneur de jet balayant fonctionnant a une fréquence de 639Hz, avec un signal de vitesse de résolution temporelle de 50 micro secondes. Ce papier démontre ainsi que l'approche conditionnelle peut être utilisable pour comprendre la physique des écoulements en sortie d'actionneurs fluidiques

GAS-LIQUID FOAM THROUGH STRAIGHT DUCTS AND SINGULARITIES: CFD SIMULATIONS AND EXPERIMENTS

ABSTRACT Some industrial processes are associated with the flow of aqueous foams inside horizontal channels. Examples are found in the oil, food and cosmetic industries. This type of flow presents an important pressure loss, originated from the shear stress exerted by the channel walls. Foam flow is one of the most complex fluids. In a macroscopic point of view, the physical-chemical interaction between the bubbles can be related to some nonNewtonian models (Bingham law, power law, etc.) or an apparent viscosity. These last can represent the internal deformations of fluid elements when shear stress is applied. An experimental facility able to create this type of flow is not so easy to design. Many parameters must be taken into consideration. So, Computational Fluid Dynamics (CFD) constitutes an ideal technique for analyzing this kind of problem. The aim of this study is to validate the use of Computational Fluid Dynamics in order to correctly predict the pressure losses and the velocity fields of a foam flowing through a straight channel and singularities (fence and half-sudden expansion). Simulations for a realistic scenario: two-phase flow, change in the surface tension, bubble size, were undertaken. Obtained results showed that simulations are not able to accurately reproduce for such a complex fluid, the important aspects of this study, such as the pressure losses and the velocity fields. Therefore, an approximation to a Bingham fluid was made. For a foam flow quality of 70% and a velocity of 2 cm/s, the numerical results are justified by experimental evidence. Experiments have been done and predictions for the flow * Address all correspondence to this author. behavior are extrapolated. Results show that the software is able to recreate the behavior of foam flow through a straight channel and singularities. However, this approach is extremely sensitive to the choice of several parameters, like the apparent viscosity, the yield stress, the viscosity consistence, etc

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

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

Base suction, entrainment flux, and wake modes in the vortex formation region at the rear of a three-dimensional blunt bluff body.

A slitted base cavity of constant depth with a varying filling ratio 0≤R_{f}≤100% is experimentally investigated to reduce the form drag of a three-dimensional blunt body (the so-called squareback Ahmed body) at a Reynolds number Re=2.89×10^{5}. The drag reduction is achieved by a decrease of base suction (or, equivalently, the increase of pressure at the base). The plain cavity (R_{f}=100%) reduces the base suction by 22% compared to the case with no cavity (R_{f}=0). All intermediate filling ratio are obtained by the enlargement of the slits, initially having a zero width for the plain cavity case. It is shown that the gradual base suction change can be related to the level of the entrainment flux of the free shear layers developing from the rear separation and to the suppression of the transverse steady asymmetric instability of the wake. The model of the vortex formation region length of Gerrard [J. Fluid Mech. 25, 401 (1966)0022-112010.1017/S0022112066001721] is shown to provide an insightful interpretation of the drag reduction mechanism using ventilated base cavities

Dépendance paramétrique de l'écoulement autour d'une marche montante à hauts nombres de Reynolds.

La caractérisation et la compréhension des mécanismes physiques régissant le comportement des écoulements décollés est un sujet étudié depuis maintenant de nombreuses années sur des configurations diverses et variées, mais sur lequel persistes encore des zones d'ombres. Ces écoulements se retrouvent dans bon nombres de configurations industriels et leur contrôle se révèle être un atout dans diverse problèmes actuels (réduction de consommations des véhicules, augmentation du rendement des machines énergétiques, etc.). Cependant, pour contrôler des écoulements industriels complexes, il faut d'abord comprendre et contrôler des décollements sur des configurations académiques comme des marches descendantes, des bosses, des cavités ou des marches montantes. Ces dernières présentent des mécanismes complexes de séparations à deux zones de recirculations qui les rendent moins présentes dans la littérature que les marches descendantes. L'objectif de cette communication est d'étudier le comportement dynamique d'un écoulement autour d'une marche montante en fonction de différents paramètres (nombres de Reynolds Re, rapport de hauteur de marche sur épaisseur de couche limite incidente h/delta, rapport de contraction Cr), par l'intermédiaire de mesures expérimentales et de comparaisons avec la littérature. Pour ce faire, 9 configurations de marches montante 2D ont été étudiées dans la soufflerie du laboratoire LAMIH pour de hauts nombres de Reynolds. Le champ aérodynamique a été mesuré par PIV standard 2D2C en trois zones (une en amont, deux en aval), ainsi que la pression pariétale (stationnaire et instationnaire) en différents points. Des quantités comme la longueur de recollement sur la face frontale, le rattachement sur la face supérieure, la distribution moyenne de pression pariétale et le contenue instationnaire de cette dernière ont été analysés et comparés avec des études similaires. Les résultats montrent une faible dépendance de ces différentes grandeurs au nombre de Reynolds au-delà d'une valeur critique égale à 8500 quelques soit les autres paramètres de l'écoulement. De plus, pour des nombres de Reynolds supérieur à cette valeur critique, une corrélation linéaire en fonction du logarithme du ratio h/delta se dégage et dont l'ordonnée à l'origine semble dépendre du rapport de contraction Cr. Le même comportement peut être observé sur la distribution de pression dans les zones de recirculations, notamment sur la partie avale où la dépression dans le bulbe de recirculation est d'autant plus forte que h/delta est grand. Enfin, les spectres en fréquences et les corrélations spatio-temporels des sondes de pressions ont permis de faire ressortir des comportements instables, corroborés par la littérature. Quelques soit la configuration, deux mécanismes haute et basse fréquences ont été identifiés. Le premier correspondant à l'instabilité convective de Kelvin-Helmholtz, dont la fréquence décroît avec la distance au point de séparation pour ensuite saturer en lâché de tourbillons. Le second, correspond à un mécanisme de battement de la couche de cisaillement. Il a également été observé que les fréquences caractéristiques adimensionnées de ces phénomènes ne variaient pas avec le nombre de Reynolds, et très peu avec le paramètre h/delta. Ces deux mécanismes contribuent à l'organisation des structures tourbillonnaires dans la couche de cisaillement, dont la vitesse locale de convection a été calculée et montre une dépendance en h/delta

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

Etudes expérimentales et numériques d'un jet de particules : application au freinage ferroviaire

Les transports ferrés urbains, bien que considérés comme une alternative écologique au transport individuel, font aujourd'hui l'objet d'un intérêt grandissant en matière de risque pour la santé et d'exposition aux particules fines. Des campagnes de mesures aux particules fines (PM) effectuées dans plusieurs réseaux souterrains de métropoles mondiales ont révélé des niveaux relativement élevés. Ces mesures se basent sur des taux moyens mesurés principalement en stations et ne permettent pas d'identifier précisément la provenance des particules. L'objectif principal de ce travail est d'apporter, par voie expérimentale, des éléments permettant d'améliorer les modèles numériques prédictifs de transport et de comportement des particules issues du freinage d'un matériel roulant. Un certain nombre d'études ont été réalisées sur le sujet en écoulement multiphasique mais peu d'entre elles ont été menées sur les particules d'usure et aucune ne s'est attaquée au problème du comportement dynamique des particules et de leur interaction avec un écoulement turbulent autour d'un équipement ferroviaire. Cette étude vise à tester numériquement le « Suspension balance Model » (SBM), modèle basé sur les phénomènes de migration de particules dans un écoulement. Une configuration canonique d'écoulement est définie (jet de particules en couche limite) en vue de procéder à une validation expérimentale par méthodes optiques. L'interaction du jet avec un écoulement de type couche limite est analysée en vue de comparer les champs de vitesse et de concentration issus de la modélisation et de l'expérience. Ces essais sont réalisés dans un canal hydraulique avec injection de particules calibrées

Unsteady behaviour of separated and reattaching flows for a backward-facing step configuration at high Reynolds numbers.

A contribution to the study of unsteady behaviour of separated and reattaching flows over a backward-facing is reported.Unsteady wall pressure and velocity field measurements are done in order to clarify the main separate Reynolds number dependencies (based on the step height and the free stream velocity) with regards to downstream external parameters (e.g. expending ratio and boundary layer thickness). The recirculation length and the secondary separation point, as well as the statistics of the velocity filelds and the surface pressure, are analysed and compared to previous studies. The experiments are performed in an optically accessible closed-loop wind tunnel with a 2mx2mx10m test section. The step height of the backward-facing step is 83mm and corresponds to an expansion ratio of 1.04, i.e. negligible inference of the upper wall. An effectively nominally two-dimensional ow is provided by the large span of 2000mm yielding an aspect ratio of 24. A set of 25 static pressure taps in parallel with 25 sub-miniature piezo-resistive Kulite XCQ-062 sensors were distributed in the middle plane downstream of the back-facing step. The unforced flows were studied using a standard two-component TSI particle image velocimetry (PIV) system with two cameras. For every flow configuration, 2000 double-frame images were recorded with a repetition rate of 7Hz. Synchronized pressure and PIV measurements were used to analysed the statistical properties as well as the streamwise time-space characteristics of separated flows. Main flow characteristics were first investigated for seven Reynolds numbers ranged from 31500 to 182600. A comparison with previous studies was done in order to highlight the expanding ratio influences on the main separation parameters. The emphasis of this work was also placed on the convective motion of the vortical flow structures. Unsteady pressure spectra indicated that in the region close to the separation point, even for high Reynolds number, the low frequency flapping motion is dominant over the high frequency mode of the large-scale vortical structure. The ability to understand the flow field unsteadiness can lead to the development of active and/or passive flow control techniques. Current works are being done searching for active control laws strategies to control these instabilities