Vortex Pair in ground vicinity : Optimal Perturbation and Optimal Control

The risk of wake vortex encounter is a major issue in aviation. This is notably true in the vicinity of airports during take-o? and landing. In order to reduce wake vortex encounters, conservative separation distances are applied. However, these distances impede on the increase of the frequency of arrivals and departures at airports by the steadily increasing tra?c. In the present work, an analysis of the control of the two-dimensional vortex dynamics close and at the ground as a mean to reduce the separation distance is carried out. The behavior of vortices in ground e?ect has been a much investigated subject, motivated by this aviation issue but also by wall bounded turbulence (Stephan et al. 2013). It has been demonstrated that vortices (Harvey et al. 1971) rebound at the ground instead of going sideways like in the inviscid situation (Lamb 1932). Vortex rebound causes vortices to stay longer above runways and increase the risk of encounters. Two control strategies are described in order to alleviate the aforementioned issue. The ?rst one is based on an optimal perturbation approach aiming at mitigating vortices by increasing perturbations growth. An analysis of the e?ect of the perturbation symmetry and horizon time, along with a physical mechanism of the transient growth processes is achieved. The second approach is based on the optimal control of the vortex position through the implementation of active blowing/suction at the ground. The maximization of the lateral position of the vortices is achieved with the idea of suppressing vortex rebound, and promoting an inviscid like kinematics of the vortices (the vortices move sideways out of the runway). The method achieves a 50% increase in the lateral position of the vortices. A physical analysis of the change induced by the control on the ?ow is detailed

Menstrual function among women exposed to polybrominated biphenyls: A follow-up prevalence study

BACKGROUND: Alteration in menstrual cycle function is suggested among rhesus monkeys and humans exposed to polybrominated biphenyls (PBBs) and structurally similar polychlorinated biphenyls (PCBs). The feedback system for menstrual cycle function potentially allows multiple pathways for disruption directly through the hypothalamic-pituitary-ovarian axis and indirectly through alternative neuroendocrine axes. METHODS: The Michigan Female Health Study was conducted during 1997–1998 among women in a cohort exposed to PBBs in 1973. This study included 337 women with self-reported menstrual cycles of 20–35 days (age range: 24–56 years). Current PBB levels were estimated by exponential decay modeling of serum PBB levels collected from 1976–1987 during enrollment in the Michigan PBB cohort. Linear regression models for menstrual cycle length and the logarithm of bleed length used estimated current PBB exposure or enrollment PBB exposure categorized in tertiles, and for the upper decile. All models were adjusted for serum PCB levels, age, body mass index, history of at least 10% weight loss in the past year, physical activity, smoking, education, and household income. RESULTS: Higher levels of physical activity were associated with shorter bleed length, and increasing age was associated with shorter cycle length. Although no overall association was found between PBB exposure and menstrual cycle characteristics, a significant interaction between PBB exposures with past year weight loss was found. Longer bleed length and shorter cycle length were associated with higher PBB exposure among women with past year weight loss. CONCLUSION: This study suggests that PBB exposure may impact ovarian function as indicated by menstrual cycle length and bleed length. However, these associations were found among the small number of women with recent weight loss suggesting either a chance finding or that mobilization of PBBs from lipid stores may be important. These results should be replicated with larger numbers of women exposed to similar lipophilic compounds

Resolution of inflammation: a new therapeutic frontier

Dysregulated inflammation is a central pathological process in diverse disease states. Traditionally, therapeutic approaches have sought to modulate the pro- or anti-inflammatory limbs of inflammation, with mixed success. However, insight into the pathways by which inflammation is resolved has highlighted novel opportunities to pharmacologically manipulate these processes — a strategy that might represent a complementary (and perhaps even superior) therapeutic approach. This Review discusses the state of the art in the biology of resolution of inflammation, highlighting the opportunities and challenges for translational research in this field

Controle des paires de tourbillons en effet de sol

Les tourbillons de sillage réels persistent pendant de longues durées, généralement entre une et trois minutes. Cette durée est probablement plus longue dans le pire des cas, lorsque le vent de travers et la turbulence atmosphérique, qui font partie des mécanismes de désintégration turbulente accélérée, sont absents. Au voisinage du sol, cette persistance est compliquée par l'effet de rebond, qui provoque la stagnation des tourbillons au-dessus de la zone de la piste. Le rebond est le résultat de la viscosité agissant sur l'écoulement provoqué par les tourbillons au sol. En l'absence de viscosité, les tourbillons suivent un mouvement hyperbolique dû aux effets d'image du sol. Dans le trafic aérien réel, la présence prolongée des tourbillons limite les fréquences de décollage et d'atterrissage des avions. La manière de contourner les règles et de gagner des fréquences de décollage et d'atterrissage, sans compromettre la sécurité, a été abordée dans des travaux récents. Le contrôle des tourbillons a été au cœur de cette thèse, avec pour objectif de trouver de nouveaux moyens, particulièrement optimaux, pour réduire la durée de vie des tourbillons dans et hors de la proximité du sol. Nous avons exploré plusieurs stratégies théoriques de contrôle, basées sur des techniques de contrôle optimal et de perturbation optimale.Nous avons commencé dans le chapitre [2] par décrire la dynamique des tourbillons dans l'effet de sol.Cet écoulement a ensuite été utilisé pour calculer une stratégie de contrôle optimale basée sur le soufflage et la succion au sol. La motivation derrière ce cadre théorique était basée sur la simplicité a priori d'un tel système, bien que finalement une tentative d'évaluation du coût d'un tel contrôle ait montré la difficulté applicative. Nous avons d'abord montré que l'effet de rebond du vortex pouvait être contré, avec pour conséquence que le vortex contrôlé est capable de suivre une trajectoire de type inviscide, c'est-à-dire une ligne hyperbolique d'abord vers le bas du sol, puis parallèle à celui-ci, vers l'extérieur. En effet, la stratégie de contrôle a permis de doubler la distance latérale des tourbillons. Dans le chapitre suivant, le chapitre [3], nous avons exploré le potentiel d'atténuation des tourbillons dans l'effet de sol en agissant sur la stabilité intrinsèque des tourbillons. En raison de la cinématique particulière des tourbillons dans l'effet de sol (décrite ci-dessus : rebond et bouclage), nous avons employé une stratégie de perturbation optimale linéaire pour décrire la stabilité linéaire des tourbillons, d'abord dans un cadre bidimensionnel, puis en trois dimensions. Nous avons conclu cette analyse linéaire en effectuant des simulations DNS non linéaires de l'écoulement initialisé par une perturbation optimale d'amplitudes finies. Des amplitudes initiales de 0,1 à 10% ont été considérées. Lorsqu'elle est appliquée avec une amplitude de 1% de l'énergie totale, le système s'avère être complètement atténué, développant de la turbulenceen un court laps de temps. La comparaison a été faite avec le système non contrôlé qui, dans le même temps, est resté cohérent. Ceci valide la forte réponse des tourbillons aux perturbations initiales de courte longueur d'onde.Finalement, le chapitre [4] remet en question la localisation des perturbations optimales, telles que celles trouvées dans le chapitre précédent, cependant avec une application limitée au cas d'un seul tourbillon, sans effet de sol, et pour l'écoulement devant une aile, suivant certains travaux antérieurs de la littérature.Habituellement, la distribution spatialement large de la structure de perturbation optimale est une difficulté lorsqu'on cherche des dispositifs de contrôle pour les générer. Une façon de résoudre ce problème est d'optimiser des perturbations plus localisées, ce qui peut être réalisé en utilisant une optimisation sous-optimale, comme l'optimisation de la norme p.Real trailing wakes vortices persist for long durations, typically between one to three minutes. This duration is likely longer in the worst case scenario when crosswind and atmospherical turbulence, which are among the mechanisms for accelerated turbulent decay, are absent. In the vicinity of the ground this persistence is complicated by the rebound effect, which provokes the stagnation of the vortices above the runway area. The rebound is a result of the viscosity acting on the flow provoked by the vortices at the ground. In the absence of viscosity the vortices follow an hyperbolic motion due to the image effects of the ground.In real air trafic, the lengthy presence ofthe vortices constraints the take-off and landing frequencies of aircrafts. The way to circumvent rules and gain take-off and departure frequencies, without compromising safety, has been tackled in recent works mostly by gaining increased knowledge on vortex dynamics in ground effect, and by developping control strategies, for instance by selecting ideal configurations of obstacles pattern at the ground or by activating long-wave instabilities ideal wavelength by modulated ground altitude. Vortex control has been at the heart of this thesis, with the objective in mind to find new and especially optimal ways to reduce vortex lifetime in and out of ground proximity. We have explored several theoretical control strategies, based on optimal control and optimal perturbation techniques.We started in chapter [2] by describing the vortex dynamics in ground effect. Although largely discussed and presented in the literature before, we could verify and analyse the cause for vortex rebound and looping with precise two-dimensional direct numerical simulations. The flow was then employed to calculate an optimal control strategy based on blowing and suction at the ground. The motivation behind this theoretical setting was based on the a priori simplicity of such a system, although in the end an attempt to evaluate the cost of such a control showed the applicative difficulty. First we showed that the vortex rebound effect could be countered, with consequence that the controlled vortex is able to follow an inviscid like trajectory, that is, a hyperbolic line first down the ground and then parallel to it, outward. In effect the control strategy was able to double the lateral distance of the vortices. In the next chapter, chapter [3], we have explored the potential for vortex mitigation in ground effect through acting on the intrinsic stability of the vortices. Due to the peculiar kinematics of the vortices in ground proximity (described above : rebound and looping) we have employed a linear optimal perturbation strategy todescribe the linear stability of the vortices, first in a two-dimensaionl setting and then in three-dimensions. We concluded this linear analysis by conducting non-linear DNS simulations of the flow initialized by optimal perturbation of finite amplitudes. Initial amplitudes of 0.1 to 10% were considered. When applied with an amplitude of 1% of the total energy, the system is found to be completely mitigated, developping turbulence in a short amount of time. Comparison was taken against the uncontrolled system which, in the same time, remained coherent. This validated the strong response of the vortices to short wavelength initial perturbations.Eventually chapter [4] questions the localization of the optimal perturbations, such as those found in the previous chapter, however with a limited application to the case of a single vortex case, without ground effect,and for the flow past a wing, following some previous works of the literature. Usually the spatially wide distribution of the optimal perturbation structure is a difficulty when one searches for control devices to generate them. One way to relax the issue is to optimize more localized perturbations and this can be achieved using suboptimal optimization, like p−norm optimization

Control of vortex pairs in ground effect

Real trailing wakes vortices persist for long durations, typically between one to three minutes. This duration is likely longer in the worst case scenario when crosswind and atmospherical turbulence, which are among the mechanisms for accelerated turbulent decay, are absent. In the vicinity of the ground this persistence is complicated by the rebound effect, which provokes the stagnation of the vortices above the runway area. The rebound is a result of the viscosity acting on the flow provoked by the vortices at the ground. In the absence of viscosity the vortices follow an hyperbolic motion due to the image effects of the ground.In real air trafic, the lengthy presence ofthe vortices constraints the take-off and landing frequencies of aircrafts. The way to circumvent rules and gain take-off and departure frequencies, without compromising safety, has been tackled in recent works mostly by gaining increased knowledge on vortex dynamics in ground effect, and by developping control strategies, for instance by selecting ideal configurations of obstacles pattern at the ground or by activating long-wave instabilities ideal wavelength by modulated ground altitude. Vortex control has been at the heart of this thesis, with the objective in mind to find new and especially optimal ways to reduce vortex lifetime in and out of ground proximity. We have explored several theoretical control strategies, based on optimal control and optimal perturbation techniques.We started in chapter [2] by describing the vortex dynamics in ground effect. Although largely discussed and presented in the literature before, we could verify and analyse the cause for vortex rebound and looping with precise two-dimensional direct numerical simulations. The flow was then employed to calculate an optimal control strategy based on blowing and suction at the ground. The motivation behind this theoretical setting was based on the a priori simplicity of such a system, although in the end an attempt to evaluate the cost of such a control showed the applicative difficulty. First we showed that the vortex rebound effect could be countered, with consequence that the controlled vortex is able to follow an inviscid like trajectory, that is, a hyperbolic line first down the ground and then parallel to it, outward. In effect the control strategy was able to double the lateral distance of the vortices. In the next chapter, chapter [3], we have explored the potential for vortex mitigation in ground effect through acting on the intrinsic stability of the vortices. Due to the peculiar kinematics of the vortices in ground proximity (described above : rebound and looping) we have employed a linear optimal perturbation strategy todescribe the linear stability of the vortices, first in a two-dimensaionl setting and then in three-dimensions. We concluded this linear analysis by conducting non-linear DNS simulations of the flow initialized by optimal perturbation of finite amplitudes. Initial amplitudes of 0.1 to 10% were considered. When applied with an amplitude of 1% of the total energy, the system is found to be completely mitigated, developping turbulence in a short amount of time. Comparison was taken against the uncontrolled system which, in the same time, remained coherent. This validated the strong response of the vortices to short wavelength initial perturbations.Eventually chapter [4] questions the localization of the optimal perturbations, such as those found in the previous chapter, however with a limited application to the case of a single vortex case, without ground effect,and for the flow past a wing, following some previous works of the literature. Usually the spatially wide distribution of the optimal perturbation structure is a difficulty when one searches for control devices to generate them. One way to relax the issue is to optimize more localized perturbations and this can be achieved using suboptimal optimization, like p−norm optimization.Les tourbillons de sillage réels persistent pendant de longues durées, généralement entre une et trois minutes. Cette durée est probablement plus longue dans le pire des cas, lorsque le vent de travers et la turbulence atmosphérique, qui font partie des mécanismes de désintégration turbulente accélérée, sont absents. Au voisinage du sol, cette persistance est compliquée par l'effet de rebond, qui provoque la stagnation des tourbillons au-dessus de la zone de la piste. Le rebond est le résultat de la viscosité agissant sur l'écoulement provoqué par les tourbillons au sol. En l'absence de viscosité, les tourbillons suivent un mouvement hyperbolique dû aux effets d'image du sol. Dans le trafic aérien réel, la présence prolongée des tourbillons limite les fréquences de décollage et d'atterrissage des avions. La manière de contourner les règles et de gagner des fréquences de décollage et d'atterrissage, sans compromettre la sécurité, a été abordée dans des travaux récents. Le contrôle des tourbillons a été au cœur de cette thèse, avec pour objectif de trouver de nouveaux moyens, particulièrement optimaux, pour réduire la durée de vie des tourbillons dans et hors de la proximité du sol. Nous avons exploré plusieurs stratégies théoriques de contrôle, basées sur des techniques de contrôle optimal et de perturbation optimale.Nous avons commencé dans le chapitre [2] par décrire la dynamique des tourbillons dans l'effet de sol.Cet écoulement a ensuite été utilisé pour calculer une stratégie de contrôle optimale basée sur le soufflage et la succion au sol. La motivation derrière ce cadre théorique était basée sur la simplicité a priori d'un tel système, bien que finalement une tentative d'évaluation du coût d'un tel contrôle ait montré la difficulté applicative. Nous avons d'abord montré que l'effet de rebond du vortex pouvait être contré, avec pour conséquence que le vortex contrôlé est capable de suivre une trajectoire de type inviscide, c'est-à-dire une ligne hyperbolique d'abord vers le bas du sol, puis parallèle à celui-ci, vers l'extérieur. En effet, la stratégie de contrôle a permis de doubler la distance latérale des tourbillons. Dans le chapitre suivant, le chapitre [3], nous avons exploré le potentiel d'atténuation des tourbillons dans l'effet de sol en agissant sur la stabilité intrinsèque des tourbillons. En raison de la cinématique particulière des tourbillons dans l'effet de sol (décrite ci-dessus : rebond et bouclage), nous avons employé une stratégie de perturbation optimale linéaire pour décrire la stabilité linéaire des tourbillons, d'abord dans un cadre bidimensionnel, puis en trois dimensions. Nous avons conclu cette analyse linéaire en effectuant des simulations DNS non linéaires de l'écoulement initialisé par une perturbation optimale d'amplitudes finies. Des amplitudes initiales de 0,1 à 10% ont été considérées. Lorsqu'elle est appliquée avec une amplitude de 1% de l'énergie totale, le système s'avère être complètement atténué, développant de la turbulenceen un court laps de temps. La comparaison a été faite avec le système non contrôlé qui, dans le même temps, est resté cohérent. Ceci valide la forte réponse des tourbillons aux perturbations initiales de courte longueur d'onde.Finalement, le chapitre [4] remet en question la localisation des perturbations optimales, telles que celles trouvées dans le chapitre précédent, cependant avec une application limitée au cas d'un seul tourbillon, sans effet de sol, et pour l'écoulement devant une aile, suivant certains travaux antérieurs de la littérature.Habituellement, la distribution spatialement large de la structure de perturbation optimale est une difficulté lorsqu'on cherche des dispositifs de contrôle pour les générer. Une façon de résoudre ce problème est d'optimiser des perturbations plus localisées, ce qui peut être réalisé en utilisant une optimisation sous-optimale, comme l'optimisation de la norme p

Dynamique et contrôle d'une paire de tourbillons en effet de sol

International audienceThe dynamics and control of a vortex pair in ground effect are investigated ina planar, incompressible and laminar setting. The evolution of the vortices obtained numerically shows vortex rebound as a consequence of the separation of the boundary layer induced at the wall by the vortices. An optimal control approach is developed and employed for vortex Reynolds numbers of 200 and 1000 in order to identify the optimal Dirichlet boundary condition at the wall to counteract this rebound and allow for an increased lateral displacement of the vortex, similarly to the inviscid evolution of the flow, which features hyperbolic trajectories. The work is primarily a conceptual approach to deal with aircraft separation distances in airport airspace by moving the vortices laterally, away from the runway but may also apply to the control of coherent structures in wall bounded turbulence. The most efficient control is able to double the lateral position and yields mostly vertical in and outflow at the wall. An optimal horizon time is found, equal to 5 characteristic time units of the vortex system, beyond which control is not able to further displace the vortices. The control is shown to delay the separation of the boundary layer at the origin of vortex rebound by applying suction ahead of the vortex, and to generate a vorticity flux at the wall, leading to a pusher vortex of sign opposite to that of the primary vortex, that attenuates the effect of the no-slip boundary condition at the wall by pushing the vortex outward.La dynamique et le contrôle d'une paire de tourbillons en effet de sol sont étudiés dans un cadre plan, incompressible et laminaire. L'évolution des tourbillons obtenus montre le rebond du tourbillon à la suite de la séparation de la couche induite au sol par ces tourbillons. Une approche de contrôle optimale est développée et utilisée pour des nombres de Reynolds entre 200 et 1000 afin d'identifier la condition limite optimale au sol pour contrer ce rebond et permettre un déplacement latéral accru du tourbillon, de la même manière que l'évolution inviscide de l'écoulement, qui présente des trajectoires hyperboliques. Le travail est principalement une approche conceptuelle pour gérer les distances de séparation des aéronefs dans l'espace aérien de l'aéroport en déplaçant les tourbillons latéralement, loin de la piste, mais peut également s'appliquer à la contrôle des structures cohérentes dans une turbulence de paroi. Le contrôle le plus efficace est en mesure de doubler la position latérale et donne principalement des vitesses au sol verticales. On trouve un temps d'horizon optimal égal à 5 unités de temps caractéristiques du système tourbillonnaire, au-delà duquel le contrôle n'est pas en mesure de déplacer davantage les tourbillons. Il est démontré que le contrôle retarde la séparation de la couche limite à l'origine du tourbillon rebond en appliquant une succion en avant du tourbillon, et qui génère un flux de vorticité à la paroi, menant à un tourbillon "repoussoir" de signe opposé à celui du tourbillon primaire. Ce dernier atténue l'effet de la condition aux limites d'adhérence à la paroi en "poussant" le tourbillon vers l'extérieur