Instationnarités dans les interactions choc/couche-limite en régime transsonique : étude expérimentale et analyse de stabilité - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2014

Unsteadiness in transonic shock-wave/boundary-layer interactions: experimental investigation and global stability analysis

Instationnarités dans les interactions choc/couche-limite en régime transsonique : étude expérimentale et analyse de stabilité

Résumé

A transonic interaction between a shock wave and a turbulent boundary layer is experimentally and theoretically investigated. The configuration is a transonic channel flow over a bump, where a shock wave causes the separation of the boundary layer and a recirculating bubble is observed downstream of the shock foot. First, the mean flow is experimentally investigated by means of PIV, then different techniques allows to identify the main unsteadiness of this shock-wave/boundary-layer interaction. As recognised in similar configurations, the flow presents two distinct characteristic frequencies, whose origins are still unknown. Numerical simulations are performed solving Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. Results are in good agreement with the experimental investigation on the mean flow, but the approach fails to predict the unsteady behaviour of the configuration. The solution of RANS equations is then considered as a base flow, and a global stability analysis is performed. Eigenvalue decomposition of the linearised Navier-Stokes operator indicates that the interaction is stable, and the dynamics cannot be described by unstable global modes. A linearised approach based on a singular-value decomposition of the global Resolvent is then proposed: the noise-amplifier behaviour of the flow is highlighted by the linearised approach. Medium-frequency perturbations are shown to be the most amplified in the mixing layer, whilst the shock wave behaves as a low-pass filter. Optimal forcing and optimal response are capable to reproduce the mechanisms that are responsible for these two phenomena. A restriction on the location of the forcing can give an insight on the origin on the unsteadiness. The same approach is then applied to a transonic flow over the OAT15A profile, where the flow can present, for a range of angles of attack, high-amplitude self-sustained shock oscillations. Global stability analysis indicates that the shock buffet onset is linked to a Hopf bifurcation, and the eigenvalue decomposition can describe the phenomenon when an unstable global mode is present. Regardless of the angle of attack, singular-value decomposition of the global Resolvent can describe the convective instabilities responsible of medium-frequency unsteadiness.
Dans cette étude nous considérons l'interaction entre une onde de choc et une couche limite turbulente dans un écoulement transsonique sur une bosse d'un point de vue expérimentale et théorique, ainsi que dans un écoulement autour d'un profil d'aile. Dans le premier cas, des mesures ont permis de montrer que l'interaction est caractérisée par la coexistence de deux fréquences distinctes, mais l'origine des oscillations basse fréquence est controversée. Des simulations numériques s'appuyant sur les équations RANS permettent une description de l'écoulement moyen, mais ne sont pas capables de reproduire le comportement instationnaire de l'interaction. Nous proposons une étude de stabilité globale : une décomposition en valeurs propres de l'opérateur de Navier-Stokes linéarisé au tour d'un champ de base RANS indique que l'interaction est un phénomène stable, et la dynamique de l'écoulement ne peut pas être décrite par un mode global instable. Nous considérons ensuite une approche linéarisée, où la réceptivité de l'écoulement à un forçage externe est analysée à travers une décomposition en valeurs singulières du Résolvant Global. Cette approche est proposée afin d'expliquer la sélection de fréquence dans cet écoulement, et montre que l'interaction filtre et amplifie le bruit résiduel existant : certaines perturbations sont plus amplifiées dans la couche de mélange, tandis que le choc semble se comporter comme un filtre passe-bas. La même approche est enfin appliquée sur un cas d'écoulement transsonique autour d'un profil d'aile, qui peut présenter des oscillations périodiques de l'onde de choc. La décomposition en valeurs propres de l'opérateur de Navier-Stokes linéarisé est capable de décrire la dynamique instationnaire quand un mode instable est présent. Cependant, la décomposition en valeurs singulières du Résolvant Global peut indiquer la présence des instabilités convectives qui sont responsables du comportement instationnaire à moyenne fréquence de l'écoulement.
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Dates et versions

tel-01018720 , version 1 (04-07-2014)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01018720 , version 1

Citer

F. Sartor. Instationnarités dans les interactions choc/couche-limite en régime transsonique : étude expérimentale et analyse de stabilité. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Aix-Marseille Université, 2014. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01018720⟩

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