Soutenance de thèse de MAHALINGESH Nikhil
Titre de thèse
Mécanismes de transition en couche limite et décollement induit par onde de choc
Boundary layer transitional mechanisms and shock induced separation
Résumé de la thèse
L'interaction onde de choc-couche limite est un phénomène couramment rencontré en aérodynamique transsonique et supersonique. Depuis plus de 50 ans, la plupart des études scientifiques se sont concentrées sur ces interactions lorsque la couche limite amont est turbulente, cette dernière configuration étant fréquemment rencontrée dans les applications aéronautiques. Une littérature abondante est donc disponible, principalement orientée ces dernières années sur l'étude des échelles de longueur et de temps rencontrées, et sur l'origine des basses fréquences observées. L'interaction entre une onde de choc et une couche limite laminaire a, quant à elle, suscité un intérêt relativement plus faible, ce qui peut s'expliquer d'un part par le fait qu'il était expérimentalement très difficile de réaliser des expériences détaillées de ces phénomènes, mais aussi par des coûts de calcul, pour les simulations numériques, relativement élevés. D'autre part, les mécanismes de transition des couches limites laminaires en régime compressible sont un sujet complexe, et les effets de ce processus de transition sur la dynamique spatio-temporelle de ces interactions se sont révélés être un sujet particulièrement difficile à analyser, pour lesquels différents scenario ont été proposés sans qu'un consensus clair n'apparaisse.
Le travail actuel vise à enrichir les connaissances sur ces dernières interactions. Des expériences ont été réalisées à un nombre de Mach de 1,65. Des techniques de visualisation de l'écoulement telles que la strioscopie et l'ombroscopie ont été utilisées, et l'étude spatiale et temporelle de l'écoulement a été réalisé principalement par anémométrie à fil chaud, complété par des mesures par sonde pitot.
Dans un premier temps, l'étude du processus de transition d'une couche limite laminaire sans gradient de pression externe a permis de mettre en évidence les mécanismes de croissance modale de l'instabilité primaire, et une nouvelle échelle de temps a été mise en évidence dans les dernières étapes du processus de transition. Une nouvelle sonde à fil chaud multi-capteurs a été développée pour préciser la nature physique de ce phénomène. L'analyse des longueurs d'onde, de l'orientation angulaire et des vitesses de phase a révélé que le phénomène observé avait un comportement atypique, et la nature de ce phénomène reste aujourd'hui à déterminer.
A la lumière de ces premiers résultats, des expériences sur les interactions transitionnelles ont été réalisées, sur rampes de compression de 6° et 10°. La théorie de l'interaction libre a été vérifiée à partir de mesures de pression pour toutes les conditions de fonctionnement. Un nouvel adimensionnement de la longueur d'interaction a été développé, prenant en compte le saut de pression imposé, les effets de la théorie de l'interaction libre, ainsi que les effets du nombre de Reynolds sur le développement de interaction. Ce nouvel adimensionnement a été validé par l'utilisation d'une grande variété d'interactions disponibles à travers la littérature, prenant en compte de large gamme de Reynolds et de longueur d'interaction. Certaines propriétés générales de l'évolution de ces échelles de longueur ont été développées sur la base de ce nouvel adimensionnement.
L'étude des mécanismes de transition de la couche limite au sein de l'interaction a montré une croissance accélérée au niveau de la zone décollée de l'instabilité primaire, mais la croissance non linéaire des instabilités secondaires a été "contournée" (by-passed) lors du recollement. Les résultats suggèrent également que la couche limite n'était pas complètement turbulente lors du recollement. Enfin, une instabilité à basse fréquence a été identifiée, à un nombre de Strouhal de 0,05, ce qui est similaire à d'autres études sur les interactions transitionnelles. Un lien possible entre la présence de non-linéarités sur la couche de cisaillement séparée et l'instabilité à basse fréquence a été identifié.
Thesis resume
The interaction between boundary layers and shock waves is a commonly found flow phenomenon in transonic and supersonic aerodynamics. Historically, most scientific studies were concentrated on the interaction between turbulent boundary layers and shock waves, due to their ubiquitous nature. And consequently, turbulent interactions have received a lot of attention over the past 70 years, resulting in an abundance of published literature on the length and time scales of such interactions. In comparison, the interaction between shock-waves and laminar boundary layers have received relatively less interest, as it was difficult to perform detailed experiments and numerical simulations due to limitations in measurement techniques and higher computational costs respectively. Moreover, the transitional mechanisms of the laminar boundary layer at supersonic speeds was a complex topic which was not very well understood, and the effects of this transition process on the spatio-temporal dynamics of transitional interactions proved to be a challenging topic to decipher.
The current work intends to enrich this area of fluid mechanics involving the interaction between shock waves and laminar boundary layers. Experiments were performed at a Mach number of 1.65 and the unit Reynolds number was varied by a factor of two between 5.6 million per metre and 11 million per metre. Flow visualization techniques such as Schlieren and Shadowgraph were employed, complemented by flow measurement techniques such as Pitot probes and hot-wire anemometry.
Measurements of the transition process of a laminar boundary layer with zero pressure gradient, captured the modal growth mechanisms of the primary instability, and a new time scale was found in the latter stages of the transition process. A new multi-sensor hot-wire probe was developed to decode the physical nature of these cryptic waves in the laminar boundary layer. The measurements revealed strange wavelengths, angular orientation and phase velocities.
Experiments of transitional interactions were performed on a 6° as well as a 10° compression ramp. Free-interaction theory was verified from pressure measurements for all operating conditions. A new non-dimensional parameter was developed for scaling the strength of the imposed shock, that included the effects of free-interaction theory, consequently accounting for the deceptive effects of Reynolds number on the length of interaction. The validity of this new scaling was proven by the reconciliation of the large scatter in a diverse collection of experimental results on the length scales of transitional interactions. Some general properties of the evolution of these length scales were developed based on this new scaling.
Measurements of the boundary layer transitional mechanisms over the interaction showed an accelerated growth over the separated shear layer, but surprisingly the non-linear growth of secondary instabilities was ``bypassed'' at reattachment. The results also suggested that the boundary layer was not fully turbulent at reattachment. Finally, low-frequency unsteadiness at separation was found at a Strouhal number of 0.05, similar to other studies on transitional interactions. A possible link between the presence of non-linearities over the separated shear layer and the low-frequency unsteadiness was found.