Investigating mode competition and three-dimensional features from two-dimensional velocity fields in an open cavity flow by modal decompositions

Shear-layer driven open cavity flows are known to exhibit strong self-sustained oscillations of the shear-layer. Over some range of the control parameters, a competition between two modes of oscillations of the shear layer can occur. We apply both Proper Orthogonal Decomposition and Dynamic Mode Decomposition to experimental two-dimensional two-components time and spaced velocity fields of an incompressible open cavity flow, in a regime of mode competition. We show that, although proper orthogonal decomposition successes in identifying salient features of the flow, it fails at identifying the spatial coherent structures associated with dominant frequencies of the shear-layer oscillations. On the contrary, we show that, as dynamic mode decomposition is devoted to identify spatial coherent structures associated with clearly defined frequency channels, it is well suited for investigating coherentstructuresinintermittentregimes.Weconsiderthevelocitydivergencefield, inordertoidentifyspanwisecoherentfeaturesoftheflow.Finally,weshowthatboth coherent structures in the inner-flow and in the shear-layer exhibit strong spanwise velocitygradients,andarethereforethree-dimensiona

A dynamic mode decomposition approach for large and arbitrarily sampled systems

Detection of coherent structures is of crucial importance for understanding the dynamics of a fluid flow. In this regard, the recently introduced Dynamic Mode Decomposition (DMD) has raised an increasing interest in the community. It allows to efficiently determine the dominant spatial modes, and their associated growth rate andfrequencyintime,responsiblefordescribingthetime-evolutionofanobservation ofthephysicalsystemathand.However,theunderlyingalgorithmrequiresuniformly sampled and time-resolved data, which may limit its usability in practical situations. Further, the computational cost associated with the DMD analysis of a large dataset is high, both in terms of central processing unit and memory. In this contribution, we present an alternative algorithm to achieve this decomposition, overcoming the above-mentioned limitations. A synthetic case, a two-dimensional restriction of an experimental flow over an open cavity, and a large-scale three-dimensional simulation, provide examples to illustrate the method

Pertinence des champs bidimensionnels dans l'analyse des phénomènes instationnaires tridimensionnels

Pertinence des champs bidimensionnels dans l’analyse des phénomènes instationnaires tridimensionnels. F. Lusseyran, J. Basley, F. Gueniat , L. Pastur L’identification de structures cohérentes dans les écoulements de fluide constitue l’un des objectifs de nombreuses études actuelles en mécanique des fluides. L’évaluation de la cohérence spatiale a été longtemps réservée à l’approche numérique, l’expérimentation devant se limiter à des corrélations temporelles du fait des moyens métrologiques disponibles. Depuis 20 ans le développement des techniques de vélocimétrie par images de particules (PIV) donne accès à des champs de vitesse tout d’abord bidimensionnels (2D) et bicomposantes coplanaires (2C), pour actuellement aborder la mesure de champs tridimensionnels complets (3D,3C). Cette évolution est motivée par le caractère le plus souvent intrinsèquement 3D des tourbillons structurant la dynamique spatio-temporelle des sillages, des jets, des écoulements impactant ou même des couches limites et des couches de mélanges. Cependant, les contraintes et les limites imposées par les techniques 3D, justifient encore largement l’exploration 2D. Dans cet exposé nous abordons la validité et les possibilités offertes par différentes décompositions modales des itérés 2D d’un champ de vitesse, résolus en temps (ou non résolus), prélevés expérimentalement ou numériquement dans un champ de vitesse 3D fortement instationnaire. Trois décompositions modales sont appliquées à l’étude d’un écoulement de référence, constitué par une cavité ouverte en interaction avec une couche limite laminaire : - la décomposition en modes propres orthogonaux (POD), la décomposition en modes de Fourier globaux, la décomposition en modes dynamiques (DMD). De plus, on peut ajouter aux propriétés propres à chacune de ces décompositions modales des propriétés physiques, comme l’incompressibilité (transmise aux modes spatiaux) ou la propagation non dispersive de modes transverses au plan de mesure. L’information apportée par l’approche 2D permet alors une incursion pertinente dans la troisième dimension

Critères d’apparition d’instabilités centrifuges dans une cavité ouverte

L’interaction d’un écoulement de couche limite avec une cavité ouverte développe une instabilité de Kelvin-Helmholtz. Cette instabilité est elle-même à l’origine d’une recirculation dans la cavité. Apparaissent alors, pour certaines conditions, des instabilités centrifuges induites par la courbure de l’écoulement imposée par le confinement des parois. Une exploration du champ de vitesse par PIV dans deux plans orthogonaux fournit la structure de l’écoulement incompressible pour une gamme de nombres de Reynolds compris entre 1 900 et 10 000. L’utilisation d’un critère d’identification de structures tourbillonnaires permet de déterminer la présence de ces instabilités centrifuges, à partir de mesures PIV. Par ailleurs, le discriminant de Rayleigh indique l’étendue des zones potentiellement instables dans la cavité. Enfin, la mesure d’un paramètre de contrôle du degré de stabilité de l’écoulement donne le seuil d’apparition des instabilités centrifuges. Une comparaison avec un entraînement du fluide par un couvercle mobile achève l’étude

Apparition de structures tourbillonnaires de type G\"ortler dans une cavit\'e parall\'el\'epip\'edique ouverte de forme variable

The interaction between a laminar boundary layer and an open cavity is investigated experimentally for Reynolds numbers between 860 and 32300. Flow visualizations are carried out for different observation directions in order to understand the spatial development of dynamical structures. The study is conducted by changing the cavity length and height and the external flow velocity, and therefore the flow patterns inside the cavity. The issue is to emphasize the three-dimensional development of the flow. In particular, we show that the cavity dynamical structures are not due to secondary shear layer instabilities. G\"ortler-type vortices are developing inside the cavity for some parameters and their properties are discussed. The existence diagram of these instabilities is also provided

Suppression of the wake steady asymmetry of an Ahmed body by central base bleed

Base blowing is applied through a small, centrally located square aperture at the base of a flat-backed Ahmed body. In addition to the expected drag reduction effect at low momentum injection (i.e., base bleeding effect), a major result is the complete suppression of the steady asymmetry of the wake. Both the maximum drag reduction and the minimum magnitude of the base pressure gradient are achieved for the same optimal blowing coefficient of the actuator. Independent force measurements corroborate the suppression of the wake asymmetry. Different scales of base blowing reveal a similar maximum drag reduction and asymmetry suppression, where the optimal blowing coefficient is found to scale with the bleed-to-base area ratio as (Sj/S)1/2