Contrôle en boucle ouverte des instationnaités de cavité en régime
transsonique
Sami Yamouni2e annéeDAFEBourse ONERA
Directeurs de thèse: Laurent Jacquin
Denis Sipp
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Plan
• Introduction au problème• Contexte • Objectifs scientifiques
• Démarche et déroulement de la thèse• Étude bibliographique: propriétés physiques d’un écoulement de cavité• Simulation URANS elsA• Analyse théorique de l’influence de la compressibilité sur les modes de cavité• Etude expérimentale
• Conclusions et perspectives
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Plan
• Introduction au problème• Contexte
• Objectifs scientifiques
• Démarche et déroulement de la thèse• Étude bibliographique: propriétés physiques d’un écoulement de cavité
• Simulation URANS elsA
• Analyse théorique de l’influence de la compressibilité sur les modes de cavité
• Etude expérimentale
• Conclusions et perspectives
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• Problème aérodynamique
• Conséquences: nuisances sonores, dommages structurels et électroniques,…
ContexteIntro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives
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Objectifs scientifiques
• Améliorer la compréhension physique du phénomène de cavité• Analyser et expliquer le succès d’une démarche de contrôle en boucle
ouverte : le « cylindre » (*) (*) 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.
• Etude numérique: Simulation RANS (et URANS) en vue d’une étude de stabilité globale (elsA) et de sensibilité (prévision a priori de la position du cylindre de contrôle).
• Etude théorique: Influence de la compressibilité sur les modes de cavité (FreeFem)
• Etude expérimentale: Détermination de la zone de contrôle des instationnarités de cavité par à un cylindre
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Plan
• Introduction au problème• Contexte
• Objectifs scientifiques
• Démarche et déroulement de la thèse• Étude bibliographique: propriétés physiques d’un écoulement de cavité
• Simulation URANS elsA
• Analyse théorique de l’influence de la compressibilité sur les modes de cavité
• Etude expérimentale
• Conclusions et perspectives
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Analyse des études existantes (1/2)• La cavité est un phénomène largement étudié depuis les années 1950
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COUPLAGE AERO-ACOUSTIQUE
U∞
Thèse qui fait suite aux travaux de Forestier(2000) et Illy(2005) au sein du DAFE
Forestier N., Jacquin L., Geffroy P., ‘The mixing layer over a deep cavity at high-subsonic speed’, Journal of Fluid Mechanics 2003.
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.
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Analyse des études existantes (2/2)Intro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives
Techniques de contrôle:
• Passif: modifications de la géométrie des bords de la cavité - Heller & Bliss (1975), Rockwell & Naudascher (1978), Pereira & Sousa (1994)
obstacles au bord amont (spoilers, step) – Doran (PhD 2006)
soufflage continu
cylindre au bord amont – Illy H. (PhD 2005), Comte P., Daude F. & Mary I. (2008), Daude F. (PhD 2009)
• Actif: soufflage pulsé au bord amont
systèmes piézoélectriques – Cattafesta & Washburn (1997), Stanek (2001)
haut-parleur – Kestens & Nicoud (1998)
volets vibrants – Williams et al. (2000)
fonction de forçage au bord amont (contrôle en boucle fermée) - Barbagallo (2009)
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Contrôle à l’aide d’un cylindre (1/2)Intro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives
Actionneur choisi pour notre étude: le cylindre
Reprise des travaux de H. Illy
L
D
W
x
z
d
Ue
Paramètres contrôlant la cavité: Md
Lx
Ld
dz
d ,Re,,,,0
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Contrôle à l’aide d’un cylindre (2/2)Intro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives
Effets du cylindre placé en amont de la cavité sur les instationnarités:
Illy H. (AIAA, 2008)
Paramètre le plus influent:dz
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Analyse numérique (1/2)Intro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives
Simulation dans les conditions de l’expérience → Logiciel elsA
Simulations LES déjà faites (Larchevêque - 2003)
Schéma de la cavité étudiée
Caractéristiques :
L/D = 0.42 , Mach=0.8 , Re = 8.6e5
Modèle choisi: k-ω Wilcox
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Analyse numérique (2/2)Intro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives
Simulation numérique URANS de la vorticité
Premiers résultats
Signal de pression au bord aval
p
Fréquence proche de l’expérience -Forestier (2000): ~ 2000Hz
Même nombre de structures dans la couche de mélange.
BUT: • Analyse de Stabilité globale à partir du champ RANS•Introduction d’un cylindre dans la simulation
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Analyse théorique (1/3)Intro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives
Influence de la compressibilité sur les modes de la cavité
ls
L
D
Cavité de rapport L/D=1
Re=7500 et Mach = 0 à 0.9
À l’entrée: u=1, v=0
Etude de stabilité:Résolution des équations de Navier Stokes compressibles.
où σ, le taux d’amplification et ω, la pulsation du mode propre.
AXdt
dXQ
teyxXtyxX ),(~
),,( i
XAXQ~~
avec
vérifie:
Problème aux valeurs propres généralisé
BUT: Comprendre la dynamique d’une cavité à faible nombre de Mach
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Analyse théorique (2/3)Intro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives
Premiers résultats
75.0
65.01
25.0
DL
M
StD
1
M
n
L
UStL
Modes de couche de mélange (Rossiter - 1964):
Modes acoustiques (East - 1966):
Transition incompressible ↔ compressible
Spectre Strouhal-Mach des modes propres instables de la cavité compressible.
La dynamique quand M → 0 est complexe
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Analyse théorique (3/3)Intro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives
1/M
1-1/M 1+1/M
Vitesse longitudinale du mode 3 à Mach=0.3
Masse volumique du mode 3 à Mach=0.3
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• Essai en soufflerie• Reprise du montage de H. Illy et N. Forestier (thèses DAFE) • Principe:
Retrouver les résultats des expériences précédentes (sans cylindre, et avec cylindre à l’amont)
Explorer la couche de mélange et l’amont de la cavité avec le cylindre
• Conditions expérimentales: M=0.8, L/D=0.42• Méthodes de mesure: prises de pression instationnaire, strioscopie, PIV• Prévu pour début 2011
Étude expérimentaleIntro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives
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Plan
• Introduction au problème• Contexte
• Objectifs scientifiques
• Démarche et déroulement de la thèse• Étude bibliographique: propriétés physiques d’un écoulement de cavité
• Simulation URANS elsA
• Analyse théorique de l’influence de la compressibilité sur les modes de cavité
• Etude expérimentale
• Conclusions et perspectives
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Conclusions et perspectives
• État d’avancement:• Étude RANS terminée• Étude compressible en cours
• A venir…• Analyse de stabilité du champ RANS• Introduction du cylindre
• Interprétation des résultats → Simulation FreeFem
• Etude expérimentale
• Comparaison zone de sensibilité expé ↔ simulation elsA• Interprétation sur le rôle du cylindre dans le contrôle des instationnarités.
Intro | Biblio | Analyse physique | En cours | Perspectives
→ Simulation elsA
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Publications et modules de formation
• Modules de formation (ONERA)• « Aéroacoustique : Modélisation et Calculs » (15, 16 et 17 juin 2010)• « Sécurité Laser » (16 décembre 2010)
• Conférence:• Congrès Français de Mécanique à Besançon, Août 2011
‘Stabilité d’un écoulement de cavité ouverte en régime compressible’(sous réserve d’acceptation du Conseil Scientifique du congrès)
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Questions