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Theses Year : 2020

Manipulation of Three-Dimensional Turbulent Wakes for Aerodynamic Drag Reduction

Manipulation de sillages turbulents tridimensionnels pour la réduction de la traînée aérodynamqiue

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Yann Haffner

Abstract

Combination of passive and active flow control are used to experimentally reduce the aerodynamic drag produced by the turbulent wake past a simplified vehicle geometry with a blunt base. Such wakes are characterized by two main features: important pressure drag linked to the massive flow separation, and large-scale asymmetries. The latter,manifesting as bi-modal dynamics or permanent symmetry-breaking, are shown to contribute for around 10% of the pressure drag. The study of the transient wake reversais occurring in bi-modal dynamics though symmetric states enables to isolate the flow mechanism responsible for increased drag in symmetry-breaking states. An interaction and coupling between the recirculating flow from one side and the shear-layer from opposite side peculiar to symmetry-breaking states triggers shear-layer instabilities and their amplification leading to increased flow entrainment and drag.This mechanism is shown to be characteristic of the wakes of blunt bodies.An active flow control strategy combining tangential pulsed jets along the trailing-edges and small flush-mounted curved surfaces is used to reduce the pressure drag of the geometry. The flow reattachment and separation on thecurved surfaces results in a fluidic boat-tailing of the wake leading to drag reductions up to 12%, independently of the unforced large-scale asymmetry of the wake, and is noticeably influenced by the time-scale of unsteadiness of the forcing. Careful combination between forcing time-scale and size of the curved surfaces is needed to achieve ail thepotential of this unsteady Coanda effect in drag reduction as shown from a simple flow model providing scaling laws of the phenomenon. The model provided allows for an extension of the flow control mechanism to separated flows moregenerally. Furthermore, forcing along only selected edges enables to interact with the large-scale wake asymmetries and has very different impact on the drag depending on the unforced wake equilibrium. Symmetrisation of the wake through asymmetric forcing leads to 7% drag reduction at a reduced energetic cost. Key ingredients are provided to adapt forcing strategies for drag reduction in presence of various wake asymmetries. As global wake equilibrium changes result from minor geometric and flow conditions changes, adaptive and robust flow control strategies are essential for industrial automotive applications.
Une combinaison de moyens passifs et actifs de contrôle d'écoulement est utilisée pour réduire la traînée aérodynamique produite par le sillage turbulent d'une géométrie simplifiée de véhicule à culot droit. Ces sillages sont caractérisés par deux aspects principaux : une traînée de pression importante liée à la séparation massive de l'écoulement, et des asymétries à grande échelle. Ces dernières, se manifestant sous forme de dynamique bimodale ou de brisure de symétrie permanente, contribuent pour environ 10% de la traînée de pression. L'étude des basculements de sillage transitoires en dynamique bimodale s'opérant au travers d'états symétriques du sillage permet d'isoler le mécanisme responsable de l'augmentation de traînée des états à brisure de symétrie. Une interaction et un couplage entre l'écoulement de recirculation issu d'un côté et la couche cisaillée opposée propre aux états à brisure de symétrie déclenche et amplifie les instabilités de couche cisaillée, ce qui conduit à une augmentation de l'écoulement d'entraînement et de la traînée. Il est montré que ce mécanisme est caractéristique des sillages de corps à culot droit.Une stratégie de contrôle actif de l'écoulement combinant des jets pulsés émis tangentiellement aux bords de fuite et de surfaces courbées miniatures affleurantes est utilisée pour réduire la traînée de pression de la géométrie. Le recollement de l'écoulement sur les surfaces courbées résulte en un rétreint fluidique du sillage se traduisant par une réduction de trainée jusqu'à 12%, indépendamment de l'asymétrie initiale du sillage, et est notablement influencé par l'échelle de temps caractéristique de l'instationnarité du forçage. Une combinaison minutieuse entre l'échelle de temps du forçage et la taille caractéristique des surfaces courbées permet d'exploiter tout le potentiel de réduction de traînée de cet effet Coanda instationnaire comme le montre un modèle simple d'écoulement permettant la mise en évidence de lois d'échelles caractérisant le phénomène. De plus, un forçage localisé selon certaines arêtes seulement permet d'interagir avec les asymétries à grande échelle du sillage et impacte de manière très différente la traînée selon l'équilibre su sillage non-forcé. La symétrisation du sillage résultant d'un forçage asymétrique permet une réduction de traînée d'environ 7% à coup énergétique réduit. Des éléments clefs sont donnés concernant l'adaptation de la localisation du contrôle pour une réduction de traînée en présence de différentes asymétries du sillage. Comme le changement d'équilibre global du sillage résulte de changements géométriques et d'écoulement mineurs, des stratégies de contrôle adaptives et robustes sont essentielles pour les applications dans l'industrie automobile.
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tel-02933400 , version 1 (08-09-2020)

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  • HAL Id : tel-02933400 , version 1

Cite

Yann Haffner. Manipulation of Three-Dimensional Turbulent Wakes for Aerodynamic Drag Reduction. Other. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2020. English. ⟨NNT : 2020ESMA0006⟩. ⟨tel-02933400⟩
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