Contrôle des décollements – Étude des mécanismes ph ysiques de contrôle à l’aide d’écoulements canoniques

Présentation d’un projet de collaboration

Lille LML M. Stanislas, C. BraultOrléans ESA A. KourtaPoitiers LEA A. Spohn, J.P. Bonnet

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Poitiers LEA A. Spohn, J.P. Bonnet

Prévu pour soumission ANR blanche 2009

Motivation – Contexte

profil diffuseur rampe bosse

V∞∞∞∞

2

Situation: Nombreuses études avec des configurations et des actionneurs très divers

Comment choisir une méthode de contrôle efficace ?

Lin et al 1991,1999Jenkins et al 2002

Ashill et al 2001Chuan et al. 2007

Seifert et al. 1996Amitay et al.2002Tian et al. 2006Corke et al . 2007Siauw 2008

Feakins et al. 2003Hasegawa et al. 2008

et beaucoup d’autres

Problème de la comparaison directe

sans contrôle

avec contrôle

écoulement externe

couche limite amont

actionneur

3

• caractéristiques de l’écoulement à contrôler

• mécanismes physiques déclenchés par les actionneurs

• caractéristiques de l’écoulement contrôlé

Choix judicieux nécessite connaissances détaillées des

avec contrôleécoulement contrôlé

Caractéristiques de l’écoulement en amont du décollement

νθθ /Re ∞⋅= U

θδ

112

=HPression constante

Séparation laminairelaminaire

turbulent

Par méthodes intégrales:

4

Truckenbrodt (1980)

Point d’arrêt

Séparation turbulente

05,4)(00,212

≤≤S

H

Reθ domine par rapport à H12

Pression constante

turbulent

Smith (1975)

• Deux paramètres principaux caractérise les conditio ns en amont du décollement

θ

Influence de l’écoulement externe

Smith (1975)Vitesse de référence

5échelles identiques en cp

• Possibilité de comparer l’influence de l’écoulement externe

Critère de Stratford (1959)

( ) 1,0

610Re

dXcdXc

S

pp

=0/ 22 <dxpd0/ 22 >dxpd

S = 0,35S = 0,39

7/4<p

c

Couche limite turbulente:

décollement si:

6

10

−=2

0

)(1

UXU

dXd

dXcd

ep ν/Re '0

xU ⋅=

• Critère indique la susceptibilité de la couche limi te de décoller !

• Critère équivalent pour couche limite laminaire exi ste !

• Nécessite que des quantités locales (U e(X),θθθθ) !

x’ basée sur la longueur d’une couche limite équiva lente

Écoulement dans la zone contrôlé

Coefficient de dissipation ∫ ∂=δ

τ dyuc

sans contrôle

avec contrôle

2

0

UU

e

7/633,3

+= ∫∞

B

A

x

x

eAB

dxUU

Kθθ

Truckenbrodt (1968)

7

Coefficient de dissipation

Coefficient de frottement

∫ ∂∂=

∞ρτ

03 dy

yu

uc

D

• Prise en compte des caractéristiques de l’écoulement contrôlé permet d’optimiser l’apport d’énergie fournie par l’actionneur

dyUy

cF ∫

∂∂−=

∞

δ

ρτ

02 x

traînée minimale

Mécanismes physiques engendrés par l’actionneur

sans contrôle

avec contrôle

8

état décollé -> état attachérattachement rattachement périodique

avec contrôle

• caractéristiques du décollement déterminent les méc anismes physiques

en jeu pour le contrôle

• nécessite connaissance des détails des régimes tra nsitoires

(lâché de nappes tourbillonnaires)

Influencer des mécanismes d’instabilité mécanismes redistribution de quantité de mouvement

Comment établir l’efficacité d’un système de contrôle ?

Thwaites 1960 : puissance investie pour contrôle ≡ coefficient de traînée équivalent

Wygnansky 2000Soria 2004 :

32

1∞

=SU

Pc pm

Dp ρη

GU 2ρ

coefficient de soufflage

+ ≡ ULfF /

fréquence adimensionnelle

9

• Uniquement valable pour des comparaisons avec une s eule configuration spécifique !

Cattafesta 2005 :

Soria 2004 :

LU

GUc jj

22

1

2

∞∞

= ρρ

µ∞

+ ≡ ULfFe

/

∞

+=DU

IVW

LD rmsrmscost function

Configurations canoniques

• Nécessité d’une configuration canonique qui permet de varier les paramètres pertinents pour un décollement d’une manière indépendante.

amont:

νθθ /Re ∞⋅= U

θδ

112

=H

10

extérieur:

aval:

mp

xc =&&&

θ

cD , cF

Configuration idéale

couche limite à caractéristiques contrôlés gradient de pression modulablem

pxc =&&&

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Objectifs: fluctuations minimales du point d’arrêt contrôle de conditions amont

Regroupement de compétences complémentaires

• soufflerie de couche limite à grand nombre de Reynolds O(107)

• analyse fine des mécanismes physiques par mesure du champ de vitesse résolue dans le temps (PIV) et des mesures locales (fils chaud)

LILLE:

ORLEANS:

• analyse numérique détaillé d’écoulements contrôlés

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• implantation d’algorithmes de contrôle basés sur ‘low-order models’

• soufflerie nombre de Reynolds O(106)

POITIERS:

• soufflerie nombre de Reynolds O(106)

• mesures du champs de pression pariétales, PIV

• tunnel hydraulique Reynolds O(105)

• mesures PIV et visualisations résolues dans le temps

Toutes les équipes concernés sont impliqués dans des études de contrôle d’écoulement

Domaine de fonctionnement (Reθ)

Re(Theta) = f(Re)

1.0E+03

1.0E+04

1.0E+05

Re(

thet

a) LML

LEA Béton

LML Soufflerie

LEA Soufflerie

13

1.0E+01

1.0E+02

1.0E+03

1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06 1.0E+07 1.0E+08

Re

Re(

thet

a)

LEA Béton

LEA THAS1

Tunnel hydraulique

Variation de Reθ sur deux ordres de grandeurs !

Delta = f'(Re)

0.20

0.30

Del

ta [m

] LML

LEA-Béton

Domaine de fonctionnement (échelle)

LEA Soufflerie LML Soufflerie

14

0.00

0.10

1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06 1.0E+07 1.0E+08

RE

Del

ta [m

]

LEA-Béton

LEA-THAS1

Tunnel hydraulique

• variation de l’échelle physique sur un ordre de grandeur

Tâches (état du 23/10/08 19h55)

� cerner les bassins d’attraction des paramètres rele vants

� optimisation des informations pertinentes pour le c ontrôle

en boucle ouvert

� caractérisation des conditions de décollement

� vérification des bassins d’attraction, choix desconditions expérimentales pour contrôle

Année 1:

Orléans Lille -Poitiers

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� dévelopement d’un modèle d’ordre réduit pour

feedback contrôle

� optimisation itérative numérique-expérimentale des

systèmes de contrôle

� implantation boucle ouvert

� étude de la dynamique de l’écoulement

(PIV, Visualisation)

� mise en place boucle fermée

� démonstration de faisabilité

Année 2:

Année 3:

TUNNEL HYDRAULIQUE FAIBLES VITESSES

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• Section de mesure 0.25 m x 0.50 m x 1 m

• Vitesse < 0,50 m/sec

• Puissance disponible 5 kW

Caractéristiques: Techniques de mesures:

• Bulles d’hydrogène

• Électrolyse d’étain

• Colorants

• PIV

EVOLUTION DE LA COUCHE DE CISAILLEMENT EN PROCHE PAROI

Évolution en palier

Évolution linéaire

Libre Issue d’un décollement

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x1sh/λλλλf

(d’après Ho et Huerre (1984))

η = 0.8Λ = 2.2

Re = 1520

Influence de la paroi et des conditions aux limites (effets de bords)