IV. 5.3.2.2. Écoulement contrôlé
IV.5.4. Étude de la position des structures tourbillonnaires par critère d’identification
Dans cette partie les positions des centres de structures tourbillonnaires sont déterminées grâce au critère Γ2 dont le seuil est fixé à 0,9. Le critère Γ2 est appliqué aux champs de vitesse instationnaires utilisés pour le calcul du champ moyen. Les positions de l’ensemble des centres tourbillonnaires de l’écoulement naturel sont comparées aux positions de ceux de l’écoulement contrôlé, ceci pour les angles de 11° et 16°. La Figure 151 illustre les positions des centres de structures tourbillonnaires pour les écoulements naturels (a) et contrôlés (b) à 11° d’incidence. On rappelle que le régime d’écoulement est laminaire et de type ‘B’
185 (séparation à 0,34C du bord d’attaque) avec l’émission périodique de tourbillons de bord de fuite et de surface. Les structures tourbillonnaires tournant dans le sens horaire (en noir) pour le cas naturel sont réparties sur l’extrados dans une bande étroite et horizontale de la couche cisaillée entre les abscisses x/C = 0,2 et x/C = 1,2. Les structures tourbillonnaires tournant dans le sens antihoraire sont réparties dans une bande étroite légèrement montante entre le bord de fuite du profil à x/C = 0,7 et x/C = 1,3 en dessous des tourbillons de sens horaire. Toutes ces structures tourbillonnaires sont à l’origine de la zone de recirculation moyenne où la vitesse longitudinale n’excède pas 0,4Uinf.
(a) OFF
(b) ON
Figure 151. Vitesse longitudinale moyenne et positions des tourbillons de sens horaire (en noir) et de sens antihoraire (en
rouge) de l’écoulement naturel (a) et de l’écoulement contrôlé UHT = - 20 kV (b) ; incidence 11°
Pour le cas de l’écoulement contrôlé, on observe que les tourbillons de sens horaire sont répartis dans une bande plus épaisse que précédemment sur l’extrados du profil entre le bord d’attaque et l’abscisse x/C = 0,8. Ce constat corrobore l’étude des structures tourbillonnaires par critère d’identification λ2 (partie IV.5.2.2), où il a été observé que les tourbillons de surface sont plus proches de la paroi extrados du profil que dans le cas naturel. De plus la longueur de la zone de répartition des tourbillons de sens horaire est plus courte que dans le cas naturel, ce qui semble indiquer que ces structures interagissent fortement et se dissipent rapidement dans le sillage.
Les tourbillons de sens antihoraire sont répartis dans une zone autour du bord de fuite entre les abscisses x/C = 0,7 et x/C = 0,9. Les tourbillons créés dans le cas contrôlé sont présents
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dans des zones où la vitesse longitudinale est comprise entre 0 et 1,5Uinf. Les tourbillons antihoraires sont répartis entre les ordonnées y/C = - 0,1 et y/C = 0.
De façon générale, on peut voir que l’application de la tension aux bornes de l’actionneur a pour effet de rapprocher les structures tourbillonnaires du profil d’aile. De plus, on observe dans l’écoulement contrôlé une augmentation très importante (+ 89 %) du nombre de formations tourbillonnaires de surface (sens horaire) ainsi qu’une augmentation plus modérée (+ 14 %) des formations tourbillonnaires de bord de fuite (sens antihoraire) par rapport à l’écoulement naturel. Dans l’écoulement contrôlé, on compte environ deux fois plus de tourbillons de surface (2255) que de tourbillons de bord de fuite (1315), comme cela a été observé sur l’analyse des champs instantanés par critère d’identification λ2 (partie IV.5.2.2). Cela confirme que l’écoulement est recollé à cette incidence ce qui réduit fortement la production de tourbillons de bord de fuite. Cependant, la persistance de tourbillons de bord de fuite semble indiquer une perte d’autorité partielle de l’actionneur IBD.
(a) OFF
(b)
ON
Figure 152. Vitesse longitudinale moyenne et positions des tourbillons de sens horaire (en noir) et de sens antihoraire (en
rouge) de l’écoulement naturel (a) et de l’écoulement contrôlé UHT = - 20 kV (b) ; incidence 16°
La Figure 152 présente les positions des centres de structures tourbillonnaires pour les écoulements naturels (a) et contrôlés (b) à 16° d’incidence. Dans le cas de l’écoulement naturel, les tourbillons de sens horaire sont répartis sur l’extrados dans une zone plus large qu’à 11° d’incidence et de façon plus dispersée entre les abscisses x/C = 0,1 et x/C = 1,4. On observe un doublement du nombre de tourbillons de sens horaire (+ 91 %) et une légère
187 diminution du nombre de tourbillons antihoraires (- 13 %) par rapport au cas naturel à 11°. Il y a donc une forte dissymétrie entre la production de tourbillons de bord d’attaque et la production de tourbillons de bord de fuite (2285 contre 996). Les tourbillons antihoraires sont principalement distribués entre le bord de fuite et l’abscisse x/C = 1,5 dans la zone de recirculation. Pour l’écoulement naturel, les structures tourbillonnaires sont exclusivement réparties dans la zone de recirculation où la vitesse longitudinale est inférieure à 0,7Uinf. Dans le cas de l’écoulement contrôlé, on observe, comme à 11° d’incidence, un rapprochement des centres tourbillonnaires vers la paroi du profil ainsi qu’une dispersion des tourbillons dans toute la zone de recirculation. Il n’y a donc pas de ligne d’émission tourbillonnaire privilégiée. Cela indique la présence possible de fluctuations de la couche cisaillée selon l’axe 𝑦 appelé aussi phénomène de battement (ou « flapping »), déjà évoqué dans l’analyse des densités spectrales. Les tourbillons de sens horaire sont présents entre les abscisses x/C = - 0,4 et x/C = 1,2 et entre les ordonnées y/C = - 0,15 et y/C = 0,3. Le nombre de tourbillons de surface semble légèrement augmenter (+ 5 %) par rapport à l’écoulement naturel. Il est aussi probable que la grande dispersion des tourbillons de sens horaire soit liée à une perte brusque ou progressive de l’autorité de l’actionneur qui ne parvient plus à rapprocher les tourbillons du profil aussi efficacement qu’à 11°.
Les tourbillons de sens antihoraire sont présents dans un panache partant du bord de fuite jusqu’à l’abscisse x/C = 1,3. Ils occupent une surface moins grande que les tourbillons horaires et leur nombre (451) a significativement diminué entre les écoulements naturel et contrôlé (- 54 %). Leur présence indique que l’écoulement n’est que partiellement recollé et que l’efficacité de l’actionneur à cette incidence est relative.
Plus généralement, l’application de la tension provoque la remontée des centres tourbillonnaires vers le bord d’attaque et un rapprochement vers la paroi de l’extrados. Les tourbillons sont plus dispersés spatialement dans l’écoulement contrôlé que dans l’écoulement naturel. Ils sont situés dans des zones où la vitesse longitudinale est comprise entre 0 et 1,4Uinf. Enfin la génération de tourbillons de surface et de sens horaire est légèrement augmentée (+ 5 %) sous l’effet du contrôle mais fortement diminuée (- 54 %) pour les tourbillons de sens antihoraires et de bord de fuite. Il est possible que l’augmentation de l’énergie de fluctuation par l’action du contrôle sur l’extrados puisse augmenter la dissipation visqueuse des tourbillons de bord de fuite au profit des tourbillons de surface, comme cela a été décrit lors de l’analyse des tourbillons par critère d’identification λ2 (partie IV.5.2.2).