Réalisation expérimentale d’un contrôle en boucle fermée pour la suppression des

instationnaritées de cavité

Claudio Ottonelli2e annéeDAFE/MFLUBourse ONERA

Directeurs de thèse: Denis Sipp (DAFE)

Peter Schmid (LadHyX)

Encadrant ONERA: Benjamin Leclaire (DAFE)

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Plan

• Introduction au problème• Contexte • Objectifs scientifiques

• Démarche et déroulement de la thèse• Cas test numérique• Mise en place de la maquette à S19 et qualification de la veine• Conception de l’actionneur• Travaux à venir: modèle réduit

• Conclusions

• Modules de formation suivis

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Contexte• Problème de cavité

• Problème bien étudié• Rossiter, « Wind tunnel experiments of the flow over rectangular cavities at subsonic and

transonic speeds », J. Fluid Mech., 1964• Tam and Block, « On the tones and pressure oscillations induced by flow over rectangular

cavities », J. Fluid Mech., 1978• …• Rowley et al., « Linear models for control of cavity flow oscillations », J. Fluid Mech., 2006• Samimy et al., « Feedback control of subsonic cavity flows using reduced-order models », J.

Fluid Mech., 2007• El Hassan et al., « Aero-acoustic coupling inside large deep cavities at low-subsonic speeds

», J. Fluid Eng., 2011

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Objectif de la thèse

• Théorique:• Étudier le problème des instabilités produites dans la cavité

(bibliographie)• Comprendre la physique du phénomène contrôlé• Développer un modèle représentatif de la physique

• Expérimental:• Utiliser plusieurs techniques (PIV rapide, mesures instationnaires de

pression, fil chaud)• Développer un actionneur pour contrôler en boucle fermée

• Numérique:• Développer les outils nécessaires pour le contrôle

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Étude bibliographique• Samimy et al.

• Conditions: M=0.3, Re~105

• Cavité: L=50.8mm, D=12.7mm (« long cavity »)• Actionneur: jet synthétique• Techniques: PIV rapide, Kulite• Contrôle : POD + Galerkin + estimateur stochastique

• Rowley et al.• Conditions: M=0.34-0.45 , Re~105

• Cavité: L=510mm, D=96mm (« long cavity ») • Actionneur: haut parleur• Techniques: PIV rapide, Kulite• Contrôle : modèle réduit basé sur la propagation acoustique

• Nous• Conditions: M=0.1 , Re~105

• Cavité: L=314mm, D>210mm variable (« deep cavity »)• Actionneur: volet• Téchniques: PIV rapide, Kulite, fil chaud• Contrôle : modèle réduit identifié (A. Hervé)

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Calcul d’un cas test• Calcul avec ElsA

• simulation URANS, modèle κ-ω

• Mach=0.2, Re~10^5• Même dimensions que S19• Objectif: se familiariser avec le phénomène physique

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Qualification de la veine

• Essais de qualification:• Couche limite• Niveau de turbulence• Pression statique• Pression instationnaire

Nouvelle veine à S19Ch

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Couche limite

• Mesures préliminaires, à consolider

31.1

55.2

35.3

24.21*

99.

H

mm

mm

mm

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Niveau de turbulence

%3.0uT

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Pression statique

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Pression instationnaire

• Marque : KULITE• Modèle : XCQ-093-15A• Etendue de mesure : 15 PSI A

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Conception actionneur• Définition des besoins et des contraintes

• Actionneur piloté par une loi continue dans une bande passante de 0 jusqu’à 150 Hz environ

• Linéarité du système électrodynamique• Conception cinématique simple

• Plan de bataille• Modification de la géométrie de la maquette pour diminuer la fréquence• Recherche de solutions technologiques sur étagère• Dimensionnement par prévision des efforts aérodynamiques

• Dimensionnement actionneur• Définition des paramètres du moteur• Configuration mécanique admissible

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Modification de la géométrie

BDLAD

af

1

25.0

[L.F. East (1965)]

0

50

100

150

200

250

300

350

210 310 500 700 900

D [mm]

Fre

qu

en

cy

[H

z]

D [mm]

f S19

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Dimensionnement des paramètres du « voice coil »

xMFki

xkRit

iLV

a

d

d

LMk

sLR

s

LMk

ssX

sVsG 2

2)(

)(

gM 65 NFa 5

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Modèle réduit (en cours)• Objectif

• Identification d’un modèle réduit d’écoulement à partir des mesures de PIV rapide, fil chaud et capteurs instationnaires de pression, à la suite d’une perturbation en créneau à l’amont de la cavité

• Cahier des charges• Installation d’un volet actionné par un électroaimant• Campagne MDM (modes de vibration) sur le volet• Installation d’une chaine de mesure pour synchroniser les signaux

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Identification d’un modèle réduit [A. Hervé, JDD 2012]

• Principe• Expérience• Identification d’un modèle qui reproduit les entrées/sorties connues

• Validation du modèle sur des entrées différentes

• Procédure d’identification• Réduction spatiale par Décomposition Orthogonale aux valeurs Propres (POD)• Structure du modèle d’après la projection de N.S.

• Observation d’une trajectoire X(t) sur une expérience• Identification des coefficients A, B, β, C d’après la trajectoire observée• Ajout de l’effet du forçage au moyen d’un modèle linéaire

11 OplantI

111

~OOmodèleI

2

2

2 ~Omodèle

OplantI

kj kjkjij jijj jiji

tii xxCxxBAXxXf

, ,,1 ,,

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Conclusions et perspectives• État d’avancement

• Montage et qualification de la maquette• Étude préliminaire de l’actionneur• Démarrage des essais pour l’identification

• À venir (deuxième année)• Progresser dans la choix et la conception de l’actionneur• Développer et maîtriser les outils d’identification et contrôle

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Modules de formations suivis

• Formation• Sécurité laser – LASOPTIC, Châtillon, le 3 mai 2011

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Questions?