Contrôle en boucle ouverte des instationnaités de cavité en régime transsonique Sami Yamouni 2e...

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


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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








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Analyse des études existantes (1/2)• La cavité est un phénomène largement étudié depuis les années 1950


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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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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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








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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


• Comparaison zone de sensibilité expé ↔ simulation elsA• Interprétation sur le rôle du cylindre dans le contrôle des instationnarités.


→ 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

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