Добірка наукової літератури з теми "Tourbillon de sillage"

Dans un contexte où le trafic aérien s'accroît chaque jour, l'optimisation des débits en termes de décollage et d'atterrissage est devenue un enjeu majeur pour les aéroports à forte affluence. Ces débits sont principalement limités par la présence de tourbillons de sillage communément appelés wake vortex. Ceux-ci sont formés après le passage d'un avion et représentent un danger potentiel pour l'avion suivant. Afin d'éviter les accidents, les organisations de sûreté de la navigation aérienne ont défini, il y a plus de quarante ans, des distances de sécurité à respecter entre décollages ou atterrissages successifs. Ces distances prennent en compte la catégorie de poids des deux appareils en considérant des situations pire-cas. De nombreuses études ont été menées pour permettre une meilleure compréhension de ces tourbillons et ont permis de constater que leur comportement varie en fonction des conditions atmosphériques, en particulier en fonction du vent et de la turbulence atmosphérique. Afin d’étudier la dynamique de la masse d’air et l’évolution de ces phénomènes, on utilise depuis une dizaine d’années le Lidar (light detection and ranging). Le Lidar pulsé est devenu l’instrument de référence pour la mesure à distance des tourbillons de sillage (positions et puissance).

L’objectif de cette thèse est d’étudier la stabilité linéaire d’un écoulement représentatif d’un tourbillon de sillage généré par un aéronef. Le modèle retenu est celui du q-vortex qui résulte d’une approximation parallèle du tourbillon de Batchelor (1964), auquel on superpose un profil de masse volumique variable. L’analyse de stabilité est conduite en deux temps au moyen de deux méthodes de complexité croissante. La première, l’analyse de stabilité linéaire modale, permet la recherche des modes les plus amplifiés aux temps longs via la résolution d’un système aux valeurs propres. Compte tenu de la stationnarité et de la double homogénéité spatiale du champ de base, cette méthode s’avère efficace et peu coûteuse ce qui permet une exploration exhaustive de l’espace des paramètres du problème. La seconde méthode, l’analyse de stabilité linéaire non-modale, permet la recherche de mécanismes de croissance transitoire aux temps courts via un processus d’optimisation basé sur une approche directe-adjointe. L’utilisation decette méthodologie se justifie par le caractère non normal de l’opérateur de Navier–Stokes.Dans la première partie, l’analyse de stabilité linéaire modale tridimensionnelle du q-vortex est étudiée. Cette analyse met en lumière la modification substantielle de la stabilité du q-vortex par l’ajout d’un profil de masse volumique variable. Lorsque le cœur du tourbillon est plus lourd que l’environnement extérieur, le domaine d’instabilité, limité en situation homogène, aux faibles nombres de swirl (q < 1.5), est étendu aux grands nombres de swirl. Les instabilités associées présentent de forts taux d’amplification et reposent sur le mécanisme de l’instabilité de Rayleigh–Taylor (RTI), déjà identifié à nombre de swirl infini pour le tourbillon de Lamb–Oseen (Joly et al. , 2005). À l’inverse, la présence d’un cœur léger stabilise l’écoulement pour les grands nombres de swirl. L’effet du rapport Ɛ des rayons des profils de vorticité et de masse volumique dépend des autres paramètres. Aux grands nombres de Reynolds et de swirl, letaux d’amplification augmente continûment avec Ɛ. En revanche, aux petits nombres de swirl (pour toute valeur de Reynolds) ou aux grands nombres de swirl uniquement à faible Reynolds, la réponse à la concentration du profil de masse volumique au centre du tourbillon n’est pas monotone et il existe une valeur optimale de ce rapport proche de Ɛ ≈ 2.La deuxième partie de la thèse se focalise sur l'analyse de stabilité linéaire non-modale de l'écoulement. Ce type d'analyse n'ayant pas encore été déployée pour des écoulements tourbillonnaires avec une variation radiale de masse volumique, l'étape de validation a impliqué le développement d'un code de calcul des perturbations adjointes. Ces modes adjoints correspondent aux excitations optimales conduisant à un gain d'énergie maximal aux temps longs, ils sont présentés succinctement. La sensibilité du problème d'optimisation au choix de la norme énergétique, des conditions initiales et du champ de base est étudiée. Sur ce dernier point, une modélisation instationnaire de l'écoulement de base est considérée via une simulation non linéaire initialisée à partir du q-vortex à masse volumique variable. À très grands nombres de Reynolds, la diffusion visqueuse est négligeable et l'écoulement peut être considéré comme stationnaire et correctement approximé par la solution analytique initiale. Ce n'est en revanche plus le cas à des nombres de Reynolds modérés pour lesquels le champ de base devient instationnaire. L'approximation stationnaire par le champ de base analytique est donc moins adaptée pour ce régime. On analyse enfin la variation de la perturbation optimale aux différents paramètres de l'écoulement. En particulier, le mécanisme de croissance transitoire de Orr (par cisaillement longitudinal et azimutal) est identifié comme le principal mécanisme responsable de l'augmentation du taux de croissance de la perturbation aux temps courts
The aim of this PhD thesis is to study the stability of a flow representative of trailing vortices generated by aircraft. To this end, two methods of increasing complexity have been used to analyse the stability of the q-vortex model, an approximation of the Batchelor (1964) vortex with the addition of a variable density profile. The first one, the modal linear stability analysis, allows to find the most amplified modes by solving an eigenvalue problem. Given the stationarity and double spatial homogeneity of the base flow field, this method is computationally efficient, allowing a thorough exploration of the problem's parameter space. The second method, the non-modal linear stability analysis, deals with the potential for transient growth mechanisms using a direct-adjoint approach. The use of this methodology is justified by the non-normal character of the Navier–Stokes operator.In the first part, the three-dimensional modal linear stability analysis of the q-vortex is studied. This analysis shows that the vortex stability is substantially modified by the presence of a variable-density profile. When the vortex core is heavier than the external environment, the instability domain, limited to low swirl numbers (q <1.5) in the constant density case, is extended to high swirl numbers. The associated instabilities exhibit high amplification rates and are associated to the Rayleigh–Taylor instability (RTI) mechanism, already identified at infinite swirl numbers for the Lamb–Oseen vortex (Joly et al., 2005). Conversely, the presence of a light core stabilises the flow for large swirl numbers. The effect of the vorticity-to-density radius ratio Ɛ depends on the other parameters. At high Reynolds and swirl numbers, the amplification rate increases continuously with Ɛ. On the other hand, at low swirl numbers (for any Reynolds value) or at high swirl numbers only at low Reynolds, the response to the concentration of the density profile at the centre of the vortex is not monotonic, and there is an optimum value for this ratio close to Ɛ ≈ 2.The second part of the thesis is devoted to the non-modal linear stability analysis of the flow. As this type of analysis had not yet been carried out on a vortex flow with a radial variation of density, the code validation step involved the development of a modal code for determining the adjoint perturbations. These adjoint modes correspond to the optimal excitation leading to maximum energy gain at long times, they are presented briefly. The sensitivity of the optimisation problem to the choice of the energy norm, the initial conditions and the base flow field is studied. Considering the latter, an unsteady modelling of the base flow is conducted via nonlinear simulations initialised from the variable-density q-vortex. At very high Reynolds numbers, viscous diffusion is negligible and the flow can be considered stationary and correctly approximated by the initial analytical solution. However, this is no longer the case at moderate Reynolds numbers, where the base flow becomes unsteady. Approximation via the steady analytical q-vortex-like solution is therefore less suitable for this regime. Finally, the variation of the optimal perturbation at different flow parameters is analysed. In particular, the Orr mechanism for transient energy growth is identified as the main mechanism responsible for the increase in perturbation growth rate at short times

Les tourbillons constituent des écoulements d'un grand intérêt aussi bien théorique que technologique. Au vu des difficultés rencontrées dans les approches expérimentale et de modélisation, on a employé les outils de simulation numérique directe (DNS) et des grandes échelles (LES) pour étudier les possibilités de développement et le devenir de la turbulence dans les tourbillons, décrits ici par un choix de modèles analytiques. Un résumé des connaissances actuelles sur la stabilité hydrodynamique des écoulements tourbillonnaires a été effectué, qui met en évidence la probable mais non évidente stabilité du tourbillon bidimensionnel, et l'existence d'une infinité de modes propres amplifiés dans le cas du tourbillon tridimensionnel défini par le modèle de Batchelor. Une simulation LES de ce dernier, dans lequel on introduit l'un des modes issus de la stabilité linéaire, a permis de décrire l'amplification d'une turbulence développée. L'évolution de l'instabilité entraîne une rapide résorption du champ de vitesse axiale du tourbillon, sans modification notable de la vitesse tangentielle. Le tourbillon se retrouve alors dans une configuration stable. Une analyse statistique de l'écoulement a été effectuée, qui caractérise l'évolution des corrélations turbulentes, informations utiles pour le développement ultérieur de modèles de turbulence dans les écoulements rotatifs. Une simulation DNS du tourbillon bidimensionnel de Lamb-Oseen soumis à une perturbation aléatoire a confirmé la stabilité de cet écoulement. Il a enfin été possible de simuler l'amorce linéaire du développement de l'instabilité de Widnall. Cette instabilité résulte de l'interaction de deux tourbillons dans les phases finales d'évolution d'un sillage d'avion, et peut contribuer à accélérer sa dispersion.

Le contexte général de cette étude concerne l’impact des traînées de condensation, ces fameux panaches blancs fréquemment observés dans le sillage des avions, sur l’atmosphère. D’un point de vue aérodynamique, la formation des traînées de condensation se caractérise par l’interaction entre un jet turbulent et un tourbillon de sillage. L’objectif de cette thèse est de contribuer à une meilleure compréhension des phénomènes thermiques et dynamiques mis en jeu dans cet écoulement. Ce travail repose sur la résolution numérique des équations de Navier-Stokes, et de conservation de l’énergie, formulées pour le cas d’un écoulement tridimensionnel, instationnaire et compressible. Deux approches sont considérées: la simulation numérique directe et la simulation des grandes échelles. Une simulation temporelle de la transition à la turbulence d’un jet rond non-isotherme est effectuée sans tenir compte du champ tourbillonnaire. A l’issue de cette simulation, un modèle de tourbillon de sillage est superposé à l’écoulement de jet. La première partie de cette thèse présente les deux approches, les différents modèles de sous-maille choisis pour les simulations des grandes échelles, ainsi que les méthodes numériques employées. La deuxième partie est consacrée à la simulation de l’écoulement de jet, et ici, l’objectif est de déterminer le modèle de sous-maille approprié à cette configuration d’écoulement. La troisième partie est dédiée à la simulation de l’interaction entre le jet et le tourbillon de sillage. Les résultats sont comparés à ceux issue d’une campagne d’essais. Les simulations ont démontré le développement de grosses structures de la turbulence autour du cœur tourbillonnaire, dans lesquelles se concentre le champ de température
The general context of this study concerns the impact of contrails, these famous white plumes frequently observed in the aircraft wake, on the atmosphere. From an aerodynamic point of view, the formation of the contrails is characterised by the interaction between a turbulent jet and a wing-tip vortex. The aim of this thesis is to contribute to a better understanding of the thermal and dynamic phenomena involved in this flow. This work is based on the numerical resolution of the three-dimensional, unsteady and compressible Navier-Stokes and energy conservation equations. Two approaches are considered: the direct numerical simulation and the large eddy simulation. A temporal simulation of the transition to turbulence of a non-isothermal jet is performed without accounting for the vortex flow field. A the end of this simulation, a vortex model is superimposed on the jet flow field. The first part of this thesis describes the two approaches, the different subgrid models chosen for the large eddy simulations, and the numerical techniques employed. The second part is devoted to the jet flow simulation, and here the objective is to determine the subgrid model appropriated to this flow configuration. The third part is dedicated to the simulation of interaction between the jet and the vortex. Results are compared to experimental data. The simulations have demonstrated the development of large scale structures all around the vortex core. The temperature field concentrates in the large scale structures

Le sillage d'avion est composé de plusieurs tourbillons énergétiques dont la durée de vie peut atteindre plusieurs minutes. Ils peuvent représenter un danger pour un avion suiveur en raison d'un fort moment de roulis induit. Le travail présenté ici contribue à la connaissance du comportement de ces tourbillons à l'aide de simulations numériques directes et aux grandes échelles. Différents aspects de la dynamique des tourbillons ont été étudiés. Le premier concerne la propagation et la collision de fronts d'onde le long d'un tourbillon. Ces fronts peuvent être générés lors de la reconnexion des tourbillons contrarotatifs dans le champ lointain du sillage (instabilité de grande longueur d'onde). Les caractéristiques de la propagation et de ses conséquences ont été mises en évidence, ainsi qu'un critère objectif d'apparition du phénomène d'explosion tourbillonnaire (contribue fortement à la dissipation du sillage). Par le biais de simulations temporelles, une étude paramétrique a ensuite été menée pour caractériser et quantifier l'interaction entre un tourbillon et un jet de moteur. Les résultats obtenus montrent que l'écoulement de jet a pour effet de diminuer le pic de vitesse des tourbillons en condition de croisière. En conditions hypersustentées, le jet peut être suffisamment puissant pour mener à la déstructuration du tourbillon. Le dernier phénomène étudié est la fusion des tourbillons corotatifs émis en bout d'aile et de volet. L'approche temporelle a permis d'étudier ce processus dans des conditions stables et instables sans vitesse axiale, pour deux modèles de tourbillons. Des conditions limites adaptées ont par la suite été implantées dans le but d'effectuer des simulations spatiales de ce processus de fusion. Ce type de simulation permet en outre de prendre en compte la torsion du système tourbillonnaire et l'influence d'une vitesse axiale. Deux configurations d'écoulements ont été simulées et ont permis de montrer la complexité des mécanismes instationnaires existants. Cette thèse a été réalisée au CERFACS dans le cadre du projet européen FAR-Wake.

Ce mémoire synthétise les travaux réalisés sur le thème des instabilités propagatives et l'éclatement tourbillonnaire observé dans des installations expérimentales telles que les souffleries à catapulte ou les bassins hydrodynamiques, dont le but est de caractériser le sillage tourbillonnaire d'avions de transport. Il comprend une synthèse bibliographique, une exploitation des campagnes d'essais réalisées dans la soufflerie B20 à l’ONERA Lille, une présentation du code de calcul FLUDILES de Simulation Numérique Directe, une modélisation des perturbations d'un tourbillon de Lamb-Oseen et la validation des calculs DNS sur la théorie de stabilité linéaire, ainsi qu’une étude numérique et théorique de la dynamique non linéaire d'un tourbillon de Lamb-Oseen par la DNS
This report synthesizes the works performed on the theme of end effects and vortex bursting observed in experimental facilities such as catapult wind tunnels or towing tanks, whose aim it is to characterize the wake vortices of civil aircraft. It includes a bibliographical synthesis, the post-processing of experimental campaigns performed in the B20 wind tunnel in ONERA Lille, the presentation of the Direct Numerical Simulation FLUDILES code, the modelling of the disturbances of a Lamb-Oseen vortex and the confirmation of DNS calculations upon the linear stability theory, the numerical and theoretical study of the nonlinear dynamics of a Lamb-Oseen vortex by means of DNS

Ce mémoire synthétise les travaux réalisés sur le thème des instabilités propagatives et l'éclatement tourbillonnaire observé dans des installations expérimentales telles que les souffleries à catapulte ou les bassins hydrodynamiques, dont le but est de caractériser le sillage tourbillonnaire d'avions de transport. Il comprend une synthèse bibliographique, une exploitation des campagnes d'essais réalisées dans la soufflerie B20 à l'ONERA Lille, une présentation du code de calcul FLUDILES de Simulation Numérique Directe, une modélisation des perturbations d'un tourbillon de Lamb-Oseen et la validation des calculs DNS sur la théorie de stabilité linéaire, ainsi qu'une étude numérique et théorique de la dynamique non linéaire d'un tourbillon de Lamb-Oseen par la DNS.

Ce travail de thèse porte sur les propriétés de stabilité des tourbillons hélicoïdaux, structures que l'on retrouve notamment dans le sillage des rotors d'hélicoptères et d'éoliennes.Dans une première partie, le développement spatio-temporel de l'instabilité d'appariement est caractérisé à l'aide d'un code numérique pseudo-spectral pour une allée infinie d'anneaux tourbillonnaires. On montre que ce modèle axisymétrique d'écoulement est en effet une bonne approximation du système hélicoïdal dans la limite des grands rayons et petits pas d’hélice. Dans ces conditions, et en utilisant un adimensionnement judicieux, on obtient également que le résultat théorique pour le taux de croissance spatio-temporel obtenu pour une double allée de tourbillons ponctuels s’avère être une bonne prédiction pour le cas hélicoïdal.Dans une seconde partie, on décrit comment un ou plusieurs tourbillons hélicoïdaux ont pu être générés de façon très peu perturbée à l’aide de modèles réduits de rotors dans le canal hydrodynamique du laboratoire. Grâce à l’introduction de perturbations d’amplitudes et de fréquences soigneusement contrôlées, le taux de croissance de l’instabilité d’appariement a pu être mesuré et comparé aux résultats théoriques. L’évolution non linéaire de ces perturbations ainsi que d’autres modes instables, à plus petites longueurs d’onde, ont également pu être observés expérimentalement pour la première fois.Enfin, ces résultats ont été appliqués au cas des rotors d’hélicoptères pour la prédiction du régime de Vortex Ring State (VRS) et à la transition vers la turbulence du sillage des éoliennes
This thesis is devoted to the stability properties of helical vortices, which are of interest for applications such as helicopter and wind turbine wakes.In a first part, the spatio-temporal development of the pairing instability is characterised for an infinite array of vortex rings, using a pseudo-spectral numerical code. We show that this axisymmetric flow model is indeed a good approximation of the helical system in the limit of large helix radius and small pitch. Under these assumptions, and by using appropriate dimensionless variables, we also show that the theoretical result concerning the spatio-temporal growth rate for a double row of point vortices represents a good prediction for the helical case.In a second part, we describe how one or several helical vortices were generated in a carefully controlled way using small-scale rotor models in the water channel of the laboratory. Introducing perturbations with well-defined amplitudes and frequencies, the growth rate of the pairing instability could be measured experimentally and compared to theoretical predictions. The non-linear evolution of these perturbations, as well as other unstable modes of smaller wavelengths, were also observed experimentally for the first time.Finally, these results were applied to helicopter wakes for the prediction of the Vortex Ring State (VRS) regime and to the transition to turbulence in wind turbine wakes

L’écoulement de jeu dans les compresseurs axiaux est étudié à l’aide de la Zonal Detached Eddy Simulation (ZDES). L’objectif consiste à évaluer la capacité de méthodes hybrides URANS/LES à simuler l’écoulement de jeu d’un compresseur axial réaliste afin de mieux comprendre la physique de cet écoulement, notamment son comportement au vannage ainsi que l’effet de sillages venant du stator amont sur le rotor aval. Après avoir choisi la méthode hybride ZDES, un banc d’essai numérique est défini afin de simuler le premier rotor du compresseur de recherche CREATE. Ce banc a la particularité de pouvoir prendre en compte les effets instationnaires venant de la roue directrice d’entrée (RDE), notamment son sillage ainsi que les tourbillons générés en pied et en tête. Basé sur des critères de maillage ZDES, il est utilisé pour évaluer cette méthode comparativement aux méthodes classiques RANS et URANS. La ZDES est validée par étape jusqu’à une analyse spectrale de l’écoulement de jeu se basant sur des données expérimentales. Elle s’est révélée capable de capturer plus précisément l’intensité et la position des phénomènes instationnaires rencontrés en tête du rotor, notamment le tourbillon de jeu. Les densités spectrales de puissance analysées montrent que cela est dû en partie à une meilleure prise en compte du transfert d’énergie des grandes vers les petites structures de l’écoulement avant leur dissipation. De plus, l’écart entre les approches s’accentue lorsque le tourbillon de jeu traverse le choc en tête. Proche pompage, les effets d’interaction entre le choc, le tourbillon de jeu, la couche limite carter et le tourbillon venant de la tête de la RDE sont amplifiés. Le décollement de la couche limite carter s’accentue et une inversion locale de l’écoulement est observée. De plus, le tourbillon de jeu s’élargit et est dévié vers la pale adjacente, ce qui intensifie le phénomène de double écoulement de jeu. L’interaction du tourbillon venant de la tête de la RDE avec le choc et le tourbillon de jeu du rotor est ensuite étudiée au point de dessin. Un battement du tourbillon de jeu est rencontré lors de l’interaction de ce tourbillon avec le tourbillon de tête de la RDE, ce qui diminue le double écoulement de jeu
The tip-leakage flow in axial compressors is studied with the Zonal Detached Eddy Simulation (ZDES). This study aims at evaluating the capability of hybrid URANS/LES methods to simulate the tip-leakage flow within a realistic axial compressor in order to better understand the involved physics, especially the behaviour of the flow near surge and the effects of stator wakes on the downstream rotor. Once the ZDES method is chosen, a numerical test bench is defined to simulate the first rotor of the research compressor CREATE. This bench takes into account the unsteady effects of the Inlet Guide Vane (IGV), such as its wake as well as vortices generated at the IGV hub and tip. It is based upon ZDES meshing criteria and is used to evaluate this method compared to classic RANS and URANS approaches. A method validation is carried out up to a spectral analysis compared to experimental data. The ZDES is capable to capture more accurately the intensity and position of the unsteady phenomena encountered in the tip region, especially the tip-leakage vortex. The power spectral densities highlight that this partly originates from a better capture of the energy transfer from large to small structures until their dissipation. The discrepancy between the methods is accentuated as the tip-leakage vortex crosses the shock. Near the surge line, the interactions between the shock, the tip-leakage vortex, the boundary layer developing on the shroud and the vortex generated by the IGV tip are amplified. The boundary layer on the shroud separates earlier and a local flow inversion occurs. Besides, the tip-leakage vortex widens and is deflected toward the adjacent blade. This strengthens the double leakage. At the design operating point, the interaction of the IGV tip vortex with the shock and the rotor tip vortex is studied. A vortex flutter is observed as the IGV tip vortex arrives on the rotor blade and stretches the rotor tip vortex. This phenomenon decreases the double leakage

Le sillage d'un avion est composé de tourbillons intenses. La durée de vie de ces tourbillons dépend des conditions atmosphériques et peut être de l'ordre de plusieurs minutes. Ils peuvent constituer un danger considérable pour un avion pénétrant dans ce sillage et leur action peut se traduire par un fort mouvement de roulis ou descendant. Le but de ce travail est d'étudier les effets des conditions atmosphériques sur le comportement des tourbillons de sillage par la simulation numérique. Dans le champ proche étendu nous avons simulé le phénomène de la fusion instable due au développement de l'instabilité elliptique en étudiant la robustesse de ce phénomène sous l'effet de la turbulence ambiante. L'effet de la turbulence ambiante à également été étudié dans le champ lointain. Ceci a été réalisé en considérant différentes configurations de vortex et une étude paramétrique a identifié les paramètres pertinents qui gouvernent la dégénérescence du sillage due à la turbulence. Ces résultats ont été utilisés pour définir un modèle préliminaire de dégénérescence pour des tourbillons affectés par la turbulence. Une étude de la propagation d'onde dans des tourbillons représentatifs du sillage lointain a montré l'apparition de l'instabilité hélicoi͏̈dale et du phénomène de 'vortex bursting'. Pour atteindre ce but, des configurations simples et plus réalistes (correspondant au sillage d'un avion de transport) ont été considérées. D'autres simulations ont été faites pour étudier l'effet de la stratification stable sur les tourbillons de sillage dans le champ lointain [. . . ]

Dans les fluides géophysiques tels que l'atmosphère, l'océan ou l'intérieur de la terre, la présence de rotation et de stratification peut fortement modifier les écoulements bien connus pour des fluides homogènes. Ce manuscrit présente quelques exemples dans lesquels ces effets peuvent soit stabiliser l'écoulement (comme dans le cas des sillages stratifiés) soit le déstabiliser (comme dans le cas des tourbillons stratifiés et de la précession). Enfin, le problème du mélange qui reste encore inexpliqué dans les océans est discuté et une nouvelle méthode numérique permettant de traiter le cas des très faibles diffusivités est présenté.