Wing Tip Vortex Development under the Effect of Active Flow Control

Abstract

L'étude des tourbillons de bout d'aile est d'une grande importance scientifique en raison des problèmes pratiques tels que les distances de séparation des aéronefs, les interactions pale/tourbillon dans les hélicoptères, les cavitations des hélices des navires, etc. Récemment, des études extensives ont été conduites pour améliorer la compréhension de la structure du tourbillon, de sa dissipation et de sa persistance par des méthodes analytiques, numériques et expérimentales. Ces études ont principalement porté sur les écoulements à nombres de Reynolds (Re) élevés. Cependant, avec l'émergence de nouveaux drones, les tourbillons de bout d'aile ont des effets extrêmement néfastes sur les performances aérodynamiques des drones pour différentes configurations de vol. Il a également été montré dans la littérature que la dissipation d'un tourbillon de bout d'aile peut être modifiée et accélérée au moyen de jets synthétiques (JS). En effet, les JS exercent un certain contrôle sur un écoulement ce qui modifie spatialement et temporellement son développement. Dans ce travail, plusieurs techniques expérimentales ont été utilisées pour étudier les effets du contrôle actif par jets synthétiques sur le développement, la diffusion et l'errance du tourbillon, y compris l'anémométrie à fils chauds et la vélocimétrie par imagerie de particules stéréoscopique (SPIV). Deux ailes rectangulaires avec un profil NACA 0012 ont été fabriquées pour cette étude et ont été testées pour deux nombres de Reynolds. Dans la première configuration expérimentale, des mesures de pression sur l'intrados de l'aile ont montré que la sélection des fréquences d'actionnement dans la gamme de fréquences des instabilités de courtes et de longues durées diminuait les coefficients de pression pour les cas activés. Des mesures complètes par fils chauds ont ensuite été effectuées dans la région de quasi-sillage pour documenter l'effet de l'actionnement du jet synthétique sur la structure d'un tourbillon de bout d'aile. Les résultats suggèrent que la configuration de contrôle à basse fréquence a permis au JS de pénétrer dans le tourbillon en apportant des structures turbulentes dans son noyau. La même configuration a été utilisée pour l'acquisition des données dans la région du milieu du sillage. Trois configurations de contrôle ont été considérées pour une étude comparative sur un tourbillon auto-similaire. Une technique de correction a été appliquée sur tous les cas étudiés. Le développement du tourbillon actionné a montré que le mélange turbulent a été amélioré au niveau de la région interne, entraînait une diffusion accélérée. L'effet d'errance sur la structure et la diffusion d'un tourbillon de bout d'aile a été étudié en utilisant des mesures de SPIV sur un dispositif expérimental différent et à un nombre de Re différent. La contribution d'errance à la diffusion des tourbillons a été quantifiée en utilisant une décomposition orthogonale (POD). Le mouvement cohérent du tourbillon a été extrait à partir de la triple décomposition du champ de vitesse corrigé. De plus, d'autres observations sur les mécanismes physiques associés à la diffusion des tourbillons ont été identifiées à partir de l'équation de transport d'enstrophie. Il a été démontré que la dissipation de l'enstrophie était principalement attribuable à l'allongement de la vorticité et à la fluctuation du tenseur de déformation causée par le JS.Abstract: Wing tip vortex flow is of a great scientific importance because of its effect on practical problems such as landing separation distances for aircrafts, blade/vortex interactions in helicopters, propeller cavitations on ships, etc. Recently, extensive investigations have been conducted to improve the understanding of the tip vortex structure, dissipation and persistence analytically, numerically, and experimentally. Studies on the structure of the wing tip vortex have mainly focused on high Reynolds number flows. However, with the emergence of new unmanned aerial vehicles (UAVs), wing tip vortices have shown to have tremendous detrimental effects on the aerodynamic performance of drones for different flight configurations. It has also been shown in the literature that the dissipation of a wing tip vortex can be altered and accelerated by means of fluidic control schemes. Ex-hibiting zero net-mass-flux at its exit, synthetic jets (SJ) were shown to exert a certain authority on the structure of the flow which spatially and temporally alters its develop-ment. This research used several experimental techniques to study the effects of active control on the development, diffusion and meandering of wing-tip vortices, including hot-wire anemometry and Stereo Particle Image Velocimetry (SPIV). Two rectangular wings with a NACA 0012 profile were fabricated for the use in this research and were tested at two chord based Re,„ numbers, namely 8 x 104 and 2 x 105. In the first experimental setup, spanwise pressure measurements on the suction side of the wing showed that the selection of actuation frequencies in the range of frequencies of the long- and short-wave instabilities resulted in decreased pressure coefficients for the actuated cases compared to the natural vortex. Comprehensive hot-wire measurements were then conducted in the near-wake region to document the effect of SJ actuation on the structure of the vortex. The results suggested that the low frequency control configuration allowed the SJ to pen-etrate into the vortex bringing turbulent structures within its core. The same setup was used to collect data in the mid-wake region. Three control configurations were consid-ered for a comparative study on a self-similar vortex. A meandering correction technique was applied on all the cases studied. The streamwise development of the actuated vortex showed that the enhanced turbulent mixing at the inner region of the vortex resulted in an accelerated outward diffusion. The effect of the meandering phenomenon on the structure and diffusion of the vortex was investigated using Stereoscopic PIV measurements on a different experimental apparatus and at a different Re number. The contribution of mean-dering to the vortex decay was quantified using proper orthogonal decomposition (POD). The coherent meandering motion of the vortex was extracted using a triple decomposition of the meandering-corrected velocity field at different downstream positions. In addition, further insight on the physical mechanisms associated with the vortex diffusion were iden-tified from the close examination of the transport equation of the streamwise enstrophy. It was shown that the destruction of enstrophy was mainly attributed to the increased vorticity stretching and the fluctuating strain rate caused by the SJ actuation

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