Étude expérimentale d’une famille de bulbes de décollement turbulents

Résumé

L’analyse comparative des mesures en pression et en vitesse de trois géométries similaires mais de tailles différentes de bulbes de décollement turbulents induits par gradient de pression sur une plaque plane à Reo= 5 000 a été menée dans le cadre d’un montage expérimental dans une soufflerie à couche limite. Les topologies de chacun des bulbes, grand massivement décollé, moyen faiblement décollé et petit sans recirculation moyenne ont été comparées aux principaux cas de la littérature. Le bulbe moyen a de plus fait l’objet d’une campagne de mesures PIV dans l’axe transverse afin de déterminer la nature 2D de l’écoulement. Le comportement instationnaire associé au bulbe de décollement est double : d’abord, un mouvement convectif de lâcher tourbillonnaire à moyenne fréquence fait consensus dans la littérature en dynamique des fluides, tant en expérimental que dans les simulations numériques, pour relier ce phénomène aux instabilités de type Kelvin-Helmholtz qui s’observent typiquement dans le cas d’une couche de mélange plane. La thèse porte surtout sur une seconde instationnarité basse fréquence qui est associée à des cycles d’expansion et de contraction du bulbe qui provoquent une variation significative de la zone de recirculation instantanée et une oscillation marquée des points de décollement et de recollement, analogue à une respiration. L’origine reste à ce jour mal comprise, et le sens physique à donner à un tel phénomène est encore débattu, au vu de la grande disparité des résultats expérimentaux et numériques qui sont à réconcilier. Des informations importantes sur la physique de l’écoulement ont été obtenues, au premier rang desquelles le phénomène de la respiration se caractérise comme étant un problème spatio-temporel qui traduit l’amplification de très larges structures (VLSM), inactives selon le paradigme de Townsend, et qui sont déjà présentes dans la couche limite amont à gradient de pression nul (ZPG). La signature par quadrants des mouvements aux grandes échelles des couches limites ZPG est la même que celle de la respiration pour un bulbe de décollement avec des cycles de balayage (Q4inactif) et d’éjection (Q2inactif ), qui sont responsables du mouvement de contraction et d’expansion du bulbe, respectivement. La respiration se présente de fait comme un cycle de bursting ZPG ayant été amplifié, ce dont s’occupe le gradient de pression adverse qui contribue alors fortement au mouvement actif avec la composante verticale de vitesse et fabrique des tourbillons quasi-longitudinaux plus grands. L’effet dual des parties active (APG) et inactive (respiration) se superpose dans la production du premier pic de la distribution longitudinale de la pression fluctuante cp. L’analyse des règles de rapport d’échelle des fluctuations de pression avec les contraintes de Reynolds ont révélé une contribution de la basse fréquence qu’il est important de prendre en compte. D’un point de vue structurel, les cycles de régénération des grappes tourbillonnaires actives (LSM) qui engendrent un large streak inactif (VLSM), qui se met à osciller puis se brise avant de reformer un nouveau LSM constituent l’image la plus probable de la respiration et s’inscrit dans le modèle du tourbillon attaché de Townsend. Selon que la partie inactive des grandes échelles en ZPG sera suffisamment développée ou non, on classifie dans trois groupes possibles la manifestation de la basse-fréquence respectivement sur les oscillations du décollement et du recollement : (1) mobile-mobile, (2) fixe-mobile et (3) fixe-fixe. Afin de pouvoir reproduire la respiration, la partie inactive doit donc être prise en compte correctement. Enfin, l’activité des structures cohérentes liées à l’instabilité de Kelvin-Helmholtz suggère que la respiration et le lâcher tourbillonnaire n’ont pas une origine commune, mais qu’il existe plutôt une modulation de l’activité tourbillonnaire causée par la basse-fréquence qui se fait ressentir de manière globale sur toute la zone décollée.

Date	8 déc. 2021
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Julien Weiss (Directeur(-trice)) & Louis Dufresne (Codirecteur(-trice))