Soutenance de thèse de Mariadebora MAURIELLO

La nécessité de mieux comprendre l'instabilité à basse fréquence observée dans les interactions entre la couche limite et l'onde de choc (SBLI) a motivé la recherche dans ce domaine pendant plusieurs décennies. Alors que de nombreuses études ont été menées sur les interactions avec la couche limite turbulente, moins d'attention a été accordée au cas d'un choc interagissant avec une couche limite laminaire qui passe à l'état turbulent. Au cours des années 2012 et 2016, le projet européen TFAST a ouvert la voie à des recherches dans ce sens. Des études numériques et expérimentales ont été menées dans le but de comprendre l'influence mutuelle des chocs de compression et de la couche limite laminaire. Toutes ces études s'accordent pour associer l'instabilité à basse fréquence à une rétroaction provenant de la région de rattachement, bien que de nombreuses questions restent sans réponse. Le présent travail fait partie du projet européen TEAMAero, qui est une extension de son précurseur TFAST. L'objectif principal de cette thèse est de clarifier l'origine physique de l'instabilité à basse fréquence dans le contexte des SBLI transitoires. En commençant par une évaluation approfondie de la théorie de la stabilité, qui suggère que la transition dans les écoulements compressibles faiblement supersoniques résulte de la rupture des modes d'instabilité oblique de la couche limite, la question suivante a été posée. Des couplages non linéaires entre ces modes d'instabilité oblique et l'instabilité à basse fréquence apparaissent-ils, et dans quelle mesure? Pour étudier les couplages quadratiques, un diagnostic d'ordre élevé a été nécessaire. Il a été appliqué aux données recueillies à partir de simulations de grandes échelles et de simulations numériques directes. Deux géométries ont été étudiées, un choc impactant-réfléchissant et une rampe de compression. En plus d'une comparaison numérique pure, une tentative a été faite pour discerner les points communs et les différences entre les simulations actuelles et les mesures expérimentales effectuées par le groupe de recherche supersonique du laboratoire de l'IUSTI à Marseille. En outre, grâce à la collaboration avec l'Université de Southampton (SOTON), les modes d'instabilité de la couche limite ont été étudiés qualitativement et leur impact sur la dynamique lente de l'interaction a été décrit. On a montré que les modes obliques instables de la couche limite laminaire compressible se couplent de manière non linéaire avec le système de choc, ce qui pourrait être responsable du mouvement lent du choc réfléchi.

The need for better understanding of low-frequency unsteadiness observed in shock-wave boundary layer interactions (SBLIs) has been driving research in this area for several decades. While many studies have been conducted on interactions with turbulent boundary layer, less attention has been devoted to the case of shock interacting with a laminar boundary layer that transitions to the turbulent state. During the years 2012 and 2016, the European TFAST project has paved the way for investigations in this direction. Both numerical and experimental studies have been conducted with the objective of understanding the mutual influence of the compression shocks and the laminar boundary layer. All of these studies agree to associate the low-frequency unsteadiness with a feedback originating from the reattachment region, although a lot of open questions are left unanswered. The present work is part of the European TEAMAero project, which is an extension of its precursor TFAST. The main objective of this dissertation is to clarify the physical origin of low-frequency unsteadiness in the context of transitional SBLIs. Beginning with a thorough assessment of stability theory, which suggests that transition in low supersonic compressible flows arises from the breakdown of oblique unstable boundary layer modes, the following question was posed. Do non-linear couplings between these oblique instability modes and low-frequency unsteadiness emerge, and to what extent? To investigate quadratic couplings, high-order diagnostic was required. It has been applied to data gathered from large eddy simulations (LES) as well as direct numerical simulations (DNS). Two geometries have been studied, an impinging-reflecting shock and a compression ramp. Besides a pure numerical comparison, an attempt was made to discern commonalities and differences between the present simulations and the experimental measurements conducted by the supersonic group of research at the IUSTI laboratory in Marseille. Moreover, thanks to the collaboration with the University of Southampton (SOTON), boundary layer instability modes have been qualitative studied and their impact on the slow dynamics of the interaction was described. Unstable oblique modes of the compressible laminar boundary layer have been observed to nonlinearly couple with the shock system, possibly being responsable of the slow movement of the reflected shock.