Étude expérimentale de sillage turbulent d'un corps à symétrie de révolution autopropulsé par hélice - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 1995

Experimental study of the turbulent wake of an axisymmetric self-propelled body

Étude expérimentale de sillage turbulent d'un corps à symétrie de révolution autopropulsé par hélice

Résumé

A wake is the turbulent perturbation region that develops behind any body in motion in a fluid. Among the streamlined bodies' wakes, we have to make a difference between the drag wakes, and the propelled body's wakes. For the latter case, the knowledge of the stream characteristics is of a great interest for the detection of vehicles. The purpose of this study is to bring experimental information as complete as possible on the velocity field evolution. In order to do this, we set an experiment in a wind tunnel. The Reynolds number calculated with the upstream velocity and the model diameter is 5.8*104. An automated acquisition device of the three components of the instantaneous velocity vector using a triple hot film anemometric probe was developed especially for this work. It is possible to compare the pure and self-propelled wakes created by the same body. The axial exploration was carried out for a large range extending for the near wake to the far wake (0.2 to 50 diameters downstream from the body) which is a very complete data base. The determination of the time velocity field brings: - three components of mean velocity - six components of Reynolds tensor - third order moments of velocity - power spectral densities in the axial, radial and tangential directions - three components of mean velocity and six components of Reynolds tensor, analyzed in phase with the propeller rotation An original result of this work is the experimental existence of self-preservation for the velocity field in the self-propelled body far wake. Nevertheless, the laws established on an analysis of the motion equations and using a closure based on two opposite rates of flow do not seem to be justified by the experiment. We have determined all the terms of the turbulent kinetic energy equation that can be measured. Thus we proved self-preservation for the turbulent exchanges in the far wake for both configurations. For the self-propelled body, an important result is that production of turbulent kinetic energy is a negligible process in the self-preserved region. If one adds the self-propelled condition to the boundary layer approximation, it is possible to show, by a correct dimensional analysis, that production is smaller than the other terms of the turbulent kinetic energy balance. In the transition zone between near and far wake, the shape of non-dimensional power spectral density is preserved along the radial direction for pure or self-propelled wakes. This means that distribution of energy between the turbulent structures is conserved. In the case of the self-propelled wake, the analysis of power spectral densities points out a wide band signal with spectral lines. The near wake region, up to two diameters downstream from the model, is strongly influenced by excitation phenomena created by the periodic blades passing. This observation behaved us to realize a statistical processing of velocity in phase with the propeller rotation. We obtained a visualization of the organized structures in the flow for a zone that spreads to two diameters downstream from the model.
Un sillage est la zone de perturbations turbulentes que laisse derrière lui tout corps en mouvement dans un fluide. Parmi les sillages de corps profilés auxquels on s'intéresse ici, il convient de différencier les sillages de traînée, des sillages de corps propulsés. Dans ce dernier cas, la connaissance des caractéristiques de l'écoulement présente un intérêt certain pour la détection des véhicules. L'objectif de cette étude est d'apporter les informations expérimentales les plus complètes possibles sur l'évolution du champ de vitesse. Pour cela nous avons mis en place une expérience en soufflerie aérodynamique. Le nombre de Reynolds calculé à partir de la vitesse de l'écoulement amont et du diamètre de la maquette est de 5,8.104. Un système d'acquisition automatisé des trois composantes du vecteur vitesse instantanée qui utilise une sonde anémométrique à films chauds triples a été développé spécialement. Une exploration axiale comparative entre les sillages pur et autopropulsé du même corps est effectuée pour un vaste domaine qui s'étend du sillage proche au sillage lointain (de 0,2 à 50 diamètres de maquette en aval du corps) ce qui constitue un ensemble très complet de données. La connaissance de toutes les caractéristiques temporelles du champ de vitesse permet de disposer : - des trois composantes de la vitesse moyenne - des six composantes du tenseur de Reynolds - des moments d'ordre 3 de la vitesse - des densités spectrales de puissance selon les directions axiale, radiale et tangentielle - des trois composantes de la vitesse moyenne et des six composantes du tenseur de Reynolds, analysés en phase avec la rotation de l'hélice. Un résultat original de cette étude est la mise en évidence expérimentale de l'existence d'une affinité pour un sillage lointain de corps autopropulsé par hélice. Cependant, les lois d'évolution fournies par l'analyse des équations du mouvement et reposant sur la distinction entre deux régimes extrêmes d'écoulement ne paraît pas justifiée expérimentalement. Nous avons déterminé tous les termes de l'équation d'énergie cinétique turbulente accessibles à la mesure. On a ainsi pu montrer l'affinité des échanges turbulents en champ lointain dans les deux configurations. Pour le sillage de corps autopropulsé par hélice, le fait que la production d'énergie cinétique turbulente soit négligeable dans la zone affine est un résultat expérimental important. En reprenant l'analyse dimensionnelle du problème et en ajoutant à l'approximation dite de la " couche limite " la condition d'autopropulsion, on montre que ce terme de production est effectivement négligeable devant les autres. Dès la zone intermédiaire, la forme de la densité spectrale de puissance relative se conserve selon une direction radiale, en sillage pur ou autopropulsé. Cela traduit la conservation en proportion de la répartition de l'énergie entre les différentes structures turbulentes. Dans le cas du sillage autopropulsé, l'analyse des densités spectrales de puissance met en évidence un signal " large bande " auquel viennent s'ajouter des raies spectrales. La zone de sillage proche, jusqu'à deux diamètres en aval de la maquette, est très fortement marquée par ces phénomènes d'excitation induits par le passage périodique des pales. Ce constat nous a conduits à effectuer un traitement statistique de la vitesse en phase avec la rotation de l'hélice. On a obtenu une visualisation des structures organisées de l'écoulement présentes pour une région qui s'étend jusqu'à deux diamètres du corps en aval de celui-ci.
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  • HAL Id : tel-00911048 , version 1

Citer

Thierry M. Faure. Étude expérimentale de sillage turbulent d'un corps à symétrie de révolution autopropulsé par hélice. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Ecole Centrale de Lyon, 1995. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00911048⟩
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