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1 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier 2012
Romain PAINDoctorant 2ème année
DAAP/MHL
Encadrant ONERA: Pierre-Elie Weiss
Directeur de thèse: Sébastien Deck
Bourse: Cofinancement CNES / ONERA
Simulation numérique de dispositifs de contrôle du buffeting culot et de l’ovalisation de la tuyère sur
des configurations de lanceur
2 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier 2012
Contexte de l’étude
Ariane 5 au décollage [2].
[1] Östlund et al, Applied MechanicsReviews, May 2005.
[2] Ariane 5 au décollage – Site internetONERA.fr, 2010.
Zone d’arrière-corps : écoulement fortement turbulent et
caractérisé par des décollements massifs.
>> La dynamique du champ de pression fluctuante est
pilotée par des modes azimutaux (m=1,…,n).
Simulation numérique d’arrière-corps
de type lanceur.
m=1 mode ‘Buffeting’
antisymétrique –
charges latérales
m=2 mode ‘Ovalisation
tuyère’ – symétrique –
Ovalisation de la tuyère
Modes de vibrations de la tuyère – a) Mode
pendule b) mode d’ovalisation. Issu de [1].
b)
a)
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Objectifs scientifiques
• Comprendre l’organisation du champ de pression
• Proposer des systèmes de contrôle de l’ovalisation de tuyère (mode m=2) au moment du décollage.
m=1 mode ‘Buffeting’
antisymétrique –
charges latérales
m=2 mode ‘Ovalisation
tuyère’ – symétrique –
Ovalisation de la tuyère
b)
a)
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Synthèse bibliographique
Fréquences caractéristiques de l’écoulement
‘Kelvin-Helmholtz’ Formation des instabilités de Kelvin-Helmholtz
‘Flapping’ Battement de la couche de mélange
‘Impact of coherent structures’ Impact de la couche de mélange sur la paroi de l’émergence
‘Vortex Shedding’ Lâcher tourbillonnaire U
fDStD
Nombre de Strouhal :
5 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier 2012
Plan de travail
I. Étude bibliographique• Écoulement décollés recollés.• Recensement des fréquences caractéristiques (associées aux modes 1 et 2).
II. Analyse physique de la dynamique de l’écoulement• Identification des mécanismes physiques à l’origine du mode m=2.• Évaluation / choix / développement d’outils de post-traitement pour analyser / quantifier l’effet de
chaque mode sur la dynamique de l’écoulement.
III. Identification des zones de réceptivité potentielle pour le contrôle du mode m=2• Étude des modes dynamiques (Collaboration: J. C. Robinet – SINUMEF).• Analyse spectrale approfondie (spectres, corrélations 1 et 2 points).
IV. Contrôle du mode m=2• Définition et mise en œuvre d’une méthode de contrôle orientée par les observations de la partie II.
V. Estimation des effets du contrôle• Évaluation / choix / développement d’outils de post-traitement pour analyser l’effet du contrôle sur la
dynamique de l’écoulement.
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Avancement des travaux (1/6)
Géométrie simplifiée de type Ariane 5:• Maillage structuré - 32 Millions de points: 240 points dans
la direction azimutale• Méthode de simulation: Hybride URANS/LES (ZDES) [3]• Temps d’acquisition signal: 200 ms (stockage des
volumes autour de l’émergence du cylindre central)• •
Configuration tri-corps type Ariane 5 et plans de
coupe du maillage.Plans, points (ci-dessus) et volumes
(ci-dessous) échantillonnés au cours du calcul.
702.0M
6102.1Re D
[3] Deck, Theoretical Computational Fluid Dynamics, in press, 2011.
7 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier 2012
Analyse du champ statistique (1/2)
• Organisation « bi-lobes » des coefficients de pression pariétale moyenne.
• Organisation « quadri-lobes » des coefficients de pression pariétale RMS.
Avancement des travaux (2/6)
Cp. Cprms.
8 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier 2012
Avancement des travaux (3/6)
Analyse du champ statistique (2/2)
• Recollement solide sur émergence dans le plan (NB) – Recollement solide sur les cylindres latéraux dans le plan (B).
• Longueur de recollement (Lr) réduite de 26 % dans plan (NB) du cas tri-corps par rapport au cas axisymétrique.
Cas axisymétrique – Cp et Cprms issu de [4]. Cas tri-corps – Cp et Cprms dans les deux
plans de symétrie: (haut) plan (B) et (bas) plan (NB).[4] Weiss et al, Phys. Fluids, 2009.
9 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier 2012
Avancement des travaux (4/6)
Analyse du champ instantané (1/2)
• Départ des instabilités de type Kelvin-Helmholtz au niveau du point de décollement.
• Structures cohérentes 2D de la couche de mélange rapidement tridimensionnalisées.
Cas tri-cops - Isosurfaces de critère Q
adimensionné et strioscopie numérique dans les plans
(NB) (haut) et (B) (bas).
6
Capteur 6 Capteur 5
5
03
Capteur 0 Capteur 3
10 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier 2012
Avancement des travaux (5/6)
Analyse du champ instantané (2/2)
• Cas d’arrière-corps axisymétrique: localisation des contributions énergétiques fortes pour quatre fréquences caractéristiques principales.
Cas axisymétrique - Isosurfaces correspondant à 60 % de
la valeur maximale de fG(f)/Pdyn² pour quatre fréquences caractéristiques.
11 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier 2012
Avancement des travaux (6/6)
Cas avec contrôle fluidique
• L’organisation globale de la pression moyenne et RMS persiste malgré les jets fluidiques continus au niveau du culot.
Cp dans les plans (NB) et (B) et à la paroi. Cprms dans les plans (NB) et (B) et à la paroi.
12 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier 201212
Synthèse
• Une nette influence des cylindres latéraux apparaît avec la modification de: La direction et la longueur moyenne de recollement (Lr).
L’organisation des Cp et Cprms pariétaux.
• L’organisation des Cp et Cprms ne semble pas être affectée par le dispositif de contrôle appliqué.
• L’étude du champ instantané a été initiée sur la première partie du signal d’acquisition.
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Publications/Communications congrès – Formation doctorale
Publication(s) prévue(s):• AIAA Journal (Rédaction en cours).• Physics Of Fluids (Rédaction en cours).
Participation à un congrès prévue:• ETMM9 (ERCOFTAC), 6-8 Juin 2012, Thessaloniki, Grèce (Abstract
soumis).
Formation doctorale:• Mécanique des fluides: Simulation des écoulements turbulents, Mars
2011, Collège de X, Paris (75).• Formation calcul parallèle MPI (Formation Interne ONERA), Octobre 2011,
ONERA Chatillon (92).• Separated Flows (Master Mécanique des Fluides UPMC – ENSAM –
ENSTA - Ecole Polytechnique), Décembre 2011 – Janvier 2012, Ecole Polytechnique Palaiseau (92).
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Annexe
Cas axisymétrique
- Contours et Isosurfaces
de fG(f)/σ² pour quatre
fréquences caractéristiques.
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