Ph. D. — Dynamique des fluides expérimentale

Étude de la séparation de la couche limite

Contexte

La couche limite est la portion de fluide s’écoulant près d’une surface solide. La paroi entraîne une force de cisaillement sur le fluide qui est ainsi freiné. Par conséquent, dans le cas d’une aile d’avion ou d’une ailette de turbomachine, son comportement détermine le rendement et l’efficacité. Sous certaines conditions, la couche limite peut se séparer et se rattacher plus loin sur la paroi, conduisant à une perte d’efficacité du système envisagé. En aérodynamique, par exemple, en plus de l’augmentation de la traînée des ailes, induisant ainsi la consommation de carburant plus élevée, ceci génère une chute brutale de la portance, un phénomène dangereux appelé décrochage aérodynamique.

En 1904, Prandtl définie des conditions d’écoulement qui génèrent une séparation de la couche limite pour des écoulements stationnaires bidimensionnelles (2D) . Pour des écoulements instables ou en tridimensionnelles (3D), cependant, ce critère n’est pas valable. Bien que plusieurs approches ont contribué à de nouvelles avancées depuis les travaux pionniers de Prandtl, ils se sont souvent révélées être incomplètes ou inapplicables, et ont révélé que la définition d’un critère universelle et pratique pour la détection de la séparation est difficile. Cela explique sans doute que nous avons dû attendre un siècle exactement après le critère de Prandtl pour établir une théorie complète de la séparation grâce aux travaux de Haller (2004), Surana et al. (2006) et Surana et al. (2008).

Cette théorie très récente est remarquable car elle détecte la position de la séparation, mais sans doute plus important car elle prédit que, bien que la surface de séparation peut se déplacer et se déformer au fil du temps à l’intérieur de l’écoulement, elle émerge d’une ligne fixe sur la frontière. Par conséquent, ces résultats peuvent être appliqués non seulement au régime laminaire, mais aussi pour des écoulements transitoires, « y compris les fluctuations de la turbulence », ce qui représente une nouvelle avancée remarquable. L’emplacement indépendante du temps de la séparation sur la paroi est déterminée à partir de moyennes temporels pariétales de cisaillement et de pression. La pression à la paroi est relativement facile à obtenir, mais la contrainte de cisaillement est encore difficile à évaluer avec précision. En conséquence, les critères de séparation ont été validés principalement à l’aide de simulations numériques (Surana et al., 2007, 2008). En ce qui concerne les approches expérimentales, un seul cas a été rapporté dans la littérature. Weldon et al. (2008) ont étudié l’écoulement autour d’un cylindre rotatif dont l’axe peut osciller à proximité de la paroi, en manipulant ainsi une séparation instable. Sous des « conditions forcées » , les observations ont montré que la séparation est fixe sur la surface, la position et l’orientation sont aussi prédites avec précision par la théorie. Cependant, cet exemple unique, concerne un écoulement visqueux lent (nombre de Reynolds, Re < 1), et des simulations numériques ont été nécessaires afin de fournir l’information manquante qui ne peut pas être obtenue par des expériences.

Objectifs

Le but de cette recherche est de caractériser expérimentalement l’écoulement d’un jet impactant sur une plaque isotherme en mesurant le frottement pariétal simultanément au champ de vitesse. Les structures principales telles les surfaces de décollement et de recollement seront extraites afin de comprendre la physique et la dynamique tourbillonnaire.

Objectifs spécifiques

Le programme de recherche propose d’approfondir la connaissance fondamentale de l’écoulement d’un jet impactant, de caractériser les phénomènes de séparation et d’explorer les nouvelles théories qui fournissent des critères de prévision novateurs pour les écoulements transitoires et turbulents (soit les écoulements que l’on retrouve dans les systèmes mécaniques). Plus précisément, les objectifs sont les suivants :

  1. capturer des champs de vitesse tridimensionnels temporels et la contrainte de cisaillement à la paroi en utilisant des techniques de mesure avant-gardistes ;
  2. élaborer des méthodes numériques pour extraire les caractéristiques spatio-temporelles des structures tourbillonnaires et des surfaces de séparation ;
  3. confronter les prédictions théoriques avec des écoulements qui sont plus pertinents pour l’industrie et proposer des méthodes expérimentales pour prédire les phéno- mènes de séparation.

Originalité et importance de la recherche

Ce projet de recherche à plusieurs aspects originaux. La vélocimétrie par image de particules tomographique est une technique de mesure toute récente. Dans la littérature, on retrouve que quelques articles (Casey et al., 2013; Violato et Scarano, 2011, 2013) et les auteurs se sont concentrés à l’étude de jet libre, aucune publication a été recensée sur des mesures tomographiques d’un jet impactant. Le montage réalisé spécialement à cet effet, au Laboratoire de dynamique des fluides de l’École Polytechnique, est unique en son genre. En fait, le laboratoire est le premier au Canada à acquérir ce type d’équipement de mesure.
De plus, la technique polarographique à l’aide de sonde tri-segmentée a été réalisée que pour des domaines bidimensionnels. La méthode inverse en 3D demande des calculs numériques plus importants et l’amélioration de méthodes numériques.
En résumé, la combinaison de vélocimétrie par image de particules tomographique (PIV 3D) et la technique polarographique permettront d’obtenir simultanément le champ de vitesse et le frottement pariétal, ce qui n’a toujours pas été réalisé. Ces résultats permettront de vérifier la théorie actuelle des décollements, qui a pour l’instant été réalisé que pour des écoulements à faible nombre de Reynolds, et de fournir des bases de données pour les codes de simulation.

La prédiction de phénomènes de séparation est cruciale dans le transport aérien, terrestre et maritime et dans le domaine de la production d’énergie. Le fait que l’information nécessaire peut être déduite de simples mesures en paroi facilite grandement la mise en oeuvre de la technique à des problèmes d’ingénierie tels que ceux trouvés dans l’industrie aérospatiale. Dans le secteur de l’hydroélectricité, la compréhension de la physique des écoulements dans les turbines hydrauliques est actuellement limitée par un manque de mesures détaillées, notamment sur la séparation des couches limites turbulentes. En conséquence, ces écoulements ne peuvent pas être modélisés avec précision. Ce projet de recherche permettra d’approfondir la connaissance fondamentale des phénomènes de séparation et en même temps proposer des méthodologies expérimentales pour recueillir des informations pertinentes à la validation de modèle numérique. Ainsi, le design peut être amélioré pour accroître l’efficacité, réduire les coûts et diminuer l’impact sur l’environnement.

Références

Philippe Miron et Jérôme Vétel
Towards the detection of moving separation in unsteady flows
Journal of Fluid Mechanics, Volume 779, Septembre 2015, p.819-841, 2015 Cambridge University Press
DOI:http://dx.doi.org/10.1017/jfm.2015.461

Philippe Miron, Jérôme Vétel et André Garon
On the flow separation in the wake of a fixed and a rotating cylinder
Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science, 25, 087402, 2015
DOI:http://dx.doi.org/10.1063/1.4921212