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Contrôle en boucle ouverte des instationnarités de cavité en régime transsonique Sami Yamouni 3e année DAFE Bourse ONERA Directeurs de thèse: Laurent Jacquin.

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1 Contrôle en boucle ouverte des instationnarités de cavité en régime transsonique Sami Yamouni 3e année DAFE Bourse ONERA Directeurs de thèse: Laurent Jacquin Denis Sipp

2 DAFE - JDD Contexte et objectifs scientifiques Conséquences: nuisances sonores, dommages structurels et électroniques,… Problème aérodynamique Objectifs de la thèse : Améliorer la compréhension physique du phénomène de cavité Le cylindre est un moyen de contrôle passif ayant prouvé son efficacité dans différentes études (*). Lobjectif est linterprétation physique de ce phénomène. (*) Illy H., Jacquin L., Geffroy P., Observations on the passive control of flow oscillations over a cavity in a transonic regime by means of a spanwise cylinder, AIAA 2008.

3 DAFE - JDD Influence de la compressibilité sur les modes globaux de cavité Etude théorique : bas nombre de Reynolds Etablissement dune carte de sensibilité Etude expérimentale : contrôle par petit cylindre à haut nombre de Reynolds Plan Simulation stationnaire (RANS) Simulation instationnaire (URANS) Analyses de stabilité Analyse de la sensibilité Etude numérique : simulation elsA de lexpérience Conclusions & perspectives

4 DAFE - JDD Influence de la compressibilité sur les modes globaux de cavité Etude théorique : bas nombre de Reynolds Etablissement dune carte de sensibilité Etude expérimentale : contrôle par petit cylindre à haut nombre de Reynolds Plan Simulation stationnaire (RANS) Simulation instationnaire (URANS) Analyses de stabilité Analyse de la sensibilité Etude numérique : simulation elsA de lexpérience Conclusions & perspectives

5 DAFE - JDD Étude de linfluence de la compressibilité sur les modes de cavité Equation de navier Stokes compressible: Vitesse longitudinal du champ de base à Mach=0.3 Analyse de stabilité linéaire: Champ de basePerturbation Recherche des modes globaux des équations de Navier Stokes linéarisées autour du champ de base Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives Etude dune cavité laminaire compressible: L/D =1 Re = 7500 Mach = 0 à 0.9

6 DAFE - JDD Strouhal taux damplification Étude de linfluence de la compressibilité sur les modes de cavité Spectre complet des modes instables Un 2 nd phénomène entre en jeu: la résonance acoustique ( East 1966 ) D L Ondes de pression stationnaires mode (vitesse longitudinale) M=0.4 mode (densité) Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives

7 DAFE - JDD Étude de linfluence de la compressibilité sur les modes de cavité Interaction des mécanismes de rétroaction acoustique ( Rossiter 1964 ) et de résonance acoustique ( East 1966 ) Trajectoires des modes obtenues par continuité Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives

8 DAFE - JDD Étude de linfluence de la compressibilité sur les modes de cavité Trajectoires des modes obtenues par continuité Interaction des mécanismes de rétroaction acoustique ( Rossiter 1964 ) et de résonance acoustique ( East 1966 ) Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives

9 DAFE - JDD Étude de linfluence de la compressibilité sur les modes de cavité COURBES DE RESONANCE ACOUSTIQUE Conclusion: pour M 0, lévolution du taux damplification des instabilités de couche de mélange est liée au mécanisme de résonance acoustique. Trajectoires des modes obtenues par continuité Interaction des mécanismes de rétroaction acoustique ( Rossiter 1964 ) et de résonance acoustique ( East 1966 ) Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives

10 DAFE - JDD Influence de la compressibilité sur les modes globaux de cavité Etude théorique : bas nombre de Reynolds Etablissement dune carte de sensibilité Etude expérimentale : contrôle par petit cylindre à haut nombre de Reynolds Plan Simulation stationnaire (RANS) Simulation instationnaire (URANS) Analyses de stabilité Analyse de la sensibilité Etude numérique : simulation elsA de lexpérience Conclusions & perspectives

11 DAFE - JDD Étude expérimentale (*) Forestier N., Jacquin L., Geffroy P., The mixing layer over a deep cavity at high-subsonic speed, Journal of Fluid Mechanics (*) Illy H., Jacquin L., Geffroy P., Observations on the passive control of flow oscillations over a cavity in a transonic regime by means of a spanwise cylinder, AIAA Suite des études de Forestier (*) et Illy (**): L/D = 0,42 Re L = Mach = 0,755 (**) δ 1 (x=-1mm) = 0,9mm Contrôle passif : le cylindre Photo de la cavité avec la sonde dexploration de la couche limite Explorateur (cylindre) Sens du ventSonde couche limite d = 2,5mm Géométrie: L = 50mm et D = 120mm Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives

12 DAFE - JDD Cas référence à M=0.755 (*) Étude expérimentale Spectre de pression du capteur central aval Strioscopie avec caméra rapide (*) Illy H., Jacquin L., Geffroy P., Observations on the passive control of flow oscillations over a cavity in a transonic regime by means of a spanwise cylinder, AIAA Sens du vent Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives

13 DAFE - JDD Étude expérimentale Spectre de pression du capteur central avalStrioscopie avec caméra rapide Carte de sensibilité ( X,Z ) = (-5;11) (en mm) Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives

14 DAFE - JDD Étude expérimentale Spectre de pression du capteur central avalStrioscopie avec caméra rapide ( X,Z ) = (2.5;0) (en mm) Carte de sensibilité Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives Démo:

15 DAFE - JDD Étude expérimentale Spectre de pression du capteur central avalStrioscopie avec caméra rapide Contrôle plus en amont ? ( X,Z ) = (15;0.5) (en mm) Carte de sensibilité Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives

16 DAFE - JDD Étude expérimentale Spectre de pression du capteur central avalStrioscopie avec caméra rapide Contrôle loin en amont de la cavité ( X,Z ) = (-55;2) (en mm) δ Interaction avec la couche limite? Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives

17 DAFE - JDD Influence de la compressibilité sur les modes globaux de cavité Etude théorique : bas nombre de Reynolds Etablissement dune carte de sensibilité Etude expérimentale : contrôle par petit cylindre à haut nombre de Reynolds Plan Simulation stationnaire (RANS) Simulation instationnaire (URANS) Analyses de stabilité Analyse de la sensibilité Etude numérique : simulation elsA de lexpérience Conclusions & perspectives

18 DAFE - JDD Champ de vitesse longitudinal du champ de base Simulation stationnaire (elsA) L/D = 0,42 Re L = Mach = 0,8 (* ) δ 1 (x=0mm) 0,23mm Δy + 1 Caractéristiques de la simulation: Simulation à haut Reynolds Utilisation dun modèle de turbulence (k-ω Wilcox) (*) Forestier N., Jacquin L., Geffroy P., The mixing layer over a deep cavity at high-subsonic speed, Journal of Fluid Mechanics Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives

19 DAFE - JDD Simulation instationnaire (elsA) Analyse reproduisant convenablement les résultats expérimentaux (signal pression, nombre de structures dans la couche de mélange, …) Études de stabilité et de sensibilité envisageable… Simulation numérique URANS du gradient de pression. p_experience p_simulation f SPL (dB) Comparaison des spectres du capteur de pression situé au bord aval de la cavité entre lexpérience (en noir) et la simulation (en bleu). 2kHz Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives

20 DAFE - JDD Analyses de stabilité Etudes réalisées en collaboration avec C. Mettot, doctorant au DAFE. Comparaison des fréquences des modes instables obtenus lors de la simulation (symboles), avec les fréquences des pics de la simulation instationnaire (pointillés). Champ de densité du mode le plus amplifié (cercle rouge sur la figure de gauche). Étude stabilité linéaire autour du champ RANS convergé Démarche similaire à celle menée dans létude théorique Il y a correspondance entre les fréquences des modes instables et les résultats de létude instationnaire. Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives

21 DAFE - JDD Analyse de sensibilité Etude de la sensibilité des valeurs propres à une modification du champ de base Sensibilité expérimentale Sensibilité numérique par rapport à un champ de force Etudes réalisées en collaboration avec C. Mettot, doctorant au DAFE. Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives

22 DAFE - JDD Influence de la compressibilité sur les modes globaux de cavité Etude théorique : bas nombre de Reynolds Etablissement dune carte de sensibilité Etude expérimentale : contrôle par petit cylindre à haut nombre de Reynolds Plan Simulation stationnaire (RANS) Simulation instationnaire (URANS) Analyses de stabilité Analyse de la sensibilité Etude numérique : simulation elsA de lexpérience Conclusions & perspectives

23 DAFE - JDD Conclusions et perspectives État davancement : Étude théorique: en cours de publication … Étude expérimentale: première carte de sensibilité faite. Étude numérique: études stationnaire, instationnaire et de stabilité bien avancées. A venir… Mesures PIV Variation de la sensibilité avec le nombre de Mach: carte de sensibilité à M=0.7) Comparaison zone de sensibilité expé simulation elsA Scénario pour linterprétation du rôle du cylindre dans le contrôle des instationnarités. Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives

24 DAFE - JDD Publications et modules de formation Conférence 2011: Congrès Français de Mécanique à Besançon, Août 2011 Stabilité dun écoulement de cavité ouverte en régime compressible Journée de Dynamique des Fluides du Plateau, Novembre 2011 Influence of the Mach number on the cavity dynamics Conférence prévue pour 2012: European Fluid Mechanics Conference, Rome, Sept 2012 Publications: Effect of the compressibility on the global stability of a cavity flow S.Yamouni, D. Sipp, L. Jacquin, en préparation pour Physics of Fluids. Module de formation: Rédaction du mémoire de thèse, du 5 au 7 octobre Étude théorique | Étude expérimentale | Étude numérique | Perspectives

25 DAFE - JDD To be continued…


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