Controle des paires de tourbillons en effet de sol
Control of vortex pairs in ground effect
Résumé
Real trailing wakes vortices persist for long durations, typically between one to three minutes. This duration is likely longer in the worst case scenario when crosswind and atmospherical turbulence, which are among the mechanisms for accelerated turbulent decay, are absent. In the vicinity of the ground this persistence is complicated by the rebound effect, which provokes the stagnation of the vortices above the runway area. The rebound is a result of the viscosity acting on the flow provoked by the vortices at the ground. In the absence of viscosity the vortices follow an hyperbolic motion due to the image effects of the ground.In real air trafic, the lengthy presence ofthe vortices constraints the take-off and landing frequencies of aircrafts. The way to circumvent rules and gain take-off and departure frequencies, without compromising safety, has been tackled in recent works mostly by gaining increased knowledge on vortex dynamics in ground effect, and by developping control strategies, for instance by selecting ideal configurations of obstacles pattern at the ground or by activating long-wave instabilities ideal wavelength by modulated ground altitude. Vortex control has been at the heart of this thesis, with the objective in mind to find new and especially optimal ways to reduce vortex lifetime in and out of ground proximity. We have explored several theoretical control strategies, based on optimal control and optimal perturbation techniques.We started in chapter [2] by describing the vortex dynamics in ground effect. Although largely discussed and presented in the literature before, we could verify and analyse the cause for vortex rebound and looping with precise two-dimensional direct numerical simulations. The flow was then employed to calculate an optimal control strategy based on blowing and suction at the ground. The motivation behind this theoretical setting was based on the a priori simplicity of such a system, although in the end an attempt to evaluate the cost of such a control showed the applicative difficulty. First we showed that the vortex rebound effect could be countered, with consequence that the controlled vortex is able to follow an inviscid like trajectory, that is, a hyperbolic line first down the ground and then parallel to it, outward. In effect the control strategy was able to double the lateral distance of the vortices. In the next chapter, chapter [3], we have explored the potential for vortex mitigation in ground effect through acting on the intrinsic stability of the vortices. Due to the peculiar kinematics of the vortices in ground proximity (described above : rebound and looping) we have employed a linear optimal perturbation strategy todescribe the linear stability of the vortices, first in a two-dimensaionl setting and then in three-dimensions. We concluded this linear analysis by conducting non-linear DNS simulations of the flow initialized by optimal perturbation of finite amplitudes. Initial amplitudes of 0.1 to 10% were considered. When applied with an amplitude of 1% of the total energy, the system is found to be completely mitigated, developping turbulence in a short amount of time. Comparison was taken against the uncontrolled system which, in the same time, remained coherent. This validated the strong response of the vortices to short wavelength initial perturbations.Eventually chapter [4] questions the localization of the optimal perturbations, such as those found in the previous chapter, however with a limited application to the case of a single vortex case, without ground effect,and for the flow past a wing, following some previous works of the literature. Usually the spatially wide distribution of the optimal perturbation structure is a difficulty when one searches for control devices to generate them. One way to relax the issue is to optimize more localized perturbations and this can be achieved using suboptimal optimization, like p−norm optimization.
Les tourbillons de sillage réels persistent pendant de longues durées, généralement entre une et trois minutes. Cette durée est probablement plus longue dans le pire des cas, lorsque le vent de travers et la turbulence atmosphérique, qui font partie des mécanismes de désintégration turbulente accélérée, sont absents. Au voisinage du sol, cette persistance est compliquée par l'effet de rebond, qui provoque la stagnation des tourbillons au-dessus de la zone de la piste. Le rebond est le résultat de la viscosité agissant sur l'écoulement provoqué par les tourbillons au sol. En l'absence de viscosité, les tourbillons suivent un mouvement hyperbolique dû aux effets d'image du sol. Dans le trafic aérien réel, la présence prolongée des tourbillons limite les fréquences de décollage et d'atterrissage des avions. La manière de contourner les règles et de gagner des fréquences de décollage et d'atterrissage, sans compromettre la sécurité, a été abordée dans des travaux récents. Le contrôle des tourbillons a été au cœur de cette thèse, avec pour objectif de trouver de nouveaux moyens, particulièrement optimaux, pour réduire la durée de vie des tourbillons dans et hors de la proximité du sol. Nous avons exploré plusieurs stratégies théoriques de contrôle, basées sur des techniques de contrôle optimal et de perturbation optimale.Nous avons commencé dans le chapitre [2] par décrire la dynamique des tourbillons dans l'effet de sol.Cet écoulement a ensuite été utilisé pour calculer une stratégie de contrôle optimale basée sur le soufflage et la succion au sol. La motivation derrière ce cadre théorique était basée sur la simplicité a priori d'un tel système, bien que finalement une tentative d'évaluation du coût d'un tel contrôle ait montré la difficulté applicative. Nous avons d'abord montré que l'effet de rebond du vortex pouvait être contré, avec pour conséquence que le vortex contrôlé est capable de suivre une trajectoire de type inviscide, c'est-à-dire une ligne hyperbolique d'abord vers le bas du sol, puis parallèle à celui-ci, vers l'extérieur. En effet, la stratégie de contrôle a permis de doubler la distance latérale des tourbillons. Dans le chapitre suivant, le chapitre [3], nous avons exploré le potentiel d'atténuation des tourbillons dans l'effet de sol en agissant sur la stabilité intrinsèque des tourbillons. En raison de la cinématique particulière des tourbillons dans l'effet de sol (décrite ci-dessus : rebond et bouclage), nous avons employé une stratégie de perturbation optimale linéaire pour décrire la stabilité linéaire des tourbillons, d'abord dans un cadre bidimensionnel, puis en trois dimensions. Nous avons conclu cette analyse linéaire en effectuant des simulations DNS non linéaires de l'écoulement initialisé par une perturbation optimale d'amplitudes finies. Des amplitudes initiales de 0,1 à 10% ont été considérées. Lorsqu'elle est appliquée avec une amplitude de 1% de l'énergie totale, le système s'avère être complètement atténué, développant de la turbulenceen un court laps de temps. La comparaison a été faite avec le système non contrôlé qui, dans le même temps, est resté cohérent. Ceci valide la forte réponse des tourbillons aux perturbations initiales de courte longueur d'onde.Finalement, le chapitre [4] remet en question la localisation des perturbations optimales, telles que celles trouvées dans le chapitre précédent, cependant avec une application limitée au cas d'un seul tourbillon, sans effet de sol, et pour l'écoulement devant une aile, suivant certains travaux antérieurs de la littérature.Habituellement, la distribution spatialement large de la structure de perturbation optimale est une difficulté lorsqu'on cherche des dispositifs de contrôle pour les générer. Une façon de résoudre ce problème est d'optimiser des perturbations plus localisées, ce qui peut être réalisé en utilisant une optimisation sous-optimale, comme l'optimisation de la norme p.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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