Les simulations SND ont permis de montrer que la variation locale de la taille d’un tour- billon mène à la génération de fronts d’onde axisymétrique qui se propagent le long d’un tourbillon. L’influence de différents paramètres caractéristiques de l’écoulement a été évaluée : celle de l’amplitude des fronts, de leur épaisseur et également du nombre de Reynolds. Il s’est avéré que pour la gamme de valeurs considérées, la vitesse de propagation d’un tel front est de l’ordre de la vitesse azimutale du tourbillon de la région dans laquelle il se propage. Une des conséquences majeures de la propagation est la génération d’une vitesse axiale qui peut être suffisamment élevée pour déstabiliser l’écoulement à travers le développement d’instabilités hélicoïdales [57].
La collision de deux fronts d’onde se propageant l’un vers l’autre a pour conséquence l’ex- plosion tourbillonnaire lorsque leur amplitude est suffisament élevées. Il a ainsi été établi un critère objectif d’apparition de ce phénomène, en considérant le changement soudain de l’en- strophie à l’instant de la collision ainsi que la génération de petites structures. L’explosion
Interaction entre un jet et un tourbillon de
sillage d’avion
4.1
Introduction
Les motivations du champ de recherche sur la dynamique des tourbillons de sillage d’avion sont d’une part la sécurité du transport aérien par la minimisation du danger représenté par la rencontre entre un sillage et un avion suiveur, et d’autre part, l’impact environnemental du trafic aérien à travers la dispersion des polluants sortant des turboréacteurs dans l’at- mosphère. Ces deux aspects sont étroitement liés par le fait que les émissions de gaz brûlés sont entraînées par le champ tourbillonnaire. Sous certaines conditions atmosphériques (temps clair), des panaches blancs, appelés traînées de condensation, se forment derrière l’avion [74], et correspondent aux tourbillons marginaux sur une partie du sillage. Ces traînées résultent de la condensation de la vapeur d’eau issue des jets moteurs, déclenchée par les particules de suies chaudes provenant de la combustion du kérosène dans l’atmosphère très froide. Même après la dégénérescence des tourbillons (causée généralement par une instabilité de Crow [15] ou par l’interaction avec la turbulence atmosphérique [34]), elles peuvent persister plusieurs heures dans l’atmosphère et contribuer à la formation de nuages (cirrus), et ainsi à l’effet de serre.
Il est abordé dans ce chapitre, la dynamique d’interaction entre un écoulement de jet moteur et un tourbillon pour des conditions de vol réalistes. Les premières études d’interaction, notam- ment celle de Miake-Lye et al. [64], ont montré que deux régimes se distinguent en condition de croisière, celui du jet puis celui de l’interaction (Fig. 4.1). Pendant les premières secondes après l’émission, le jet se mélange rapidement avec l’air ambiant, pendant que la nappe de vor- ticité s’enroule autour des tourbillons marginaux. Par la suite, la dynamique est gouvernée par l’enroulement du jet autour du tourbillon. L’expérience en soufflerie de Brunet et al. [8] avec un modèle d’avion à échelle réduite montre que le jet commence à subir l’influence du champ tourbillonnaire à partir d’une distance aval d’une demi envergure. Cette distance est relative à l’intensité du jet considéré qui est fonction du moteur et n’est donc pas généralisable. Ré- cemment, des campagnes expérimentales ont été menées, notamment par Jacquin et al. [40] et Margaris et al. [55], pour évaluer l’influence des différents paramètres caractéristiques, comme la distance de séparation entre le jet et le tourbillon, le rapport d’intensité des deux entités ou encore le nombre de Reynolds et l’inclinaison du jet. Paoli et al. [75] ainsi que Ferreira et al. [27] ont effectué des simulations numériques aux grandes échelles (SGE). À travers l’étude
E1
E2
Fig. 4.1 – Illustration de l’interaction jet moteur/tourbillon en condition de croisière, carac- térisée par deux régimes : le régime du jet E1, et le régime d’interaction E2.
de l’interaction pour des configurations simplifiées et académiques, ces travaux ont montré les possibilités et l’apport du numérique à ce sujet.
Dans le cadre du projet européen FAR-Wake (2005-2008), cette thématique a fait l’objet de plusieurs études expérimentales (configuration simplifiée en basssin à eau, modèle réduit en soufflerie) et numériques, dans le but d’identifier l’impact du jet sur la dynamique tourbillon- naire et d’en évaluer les conséquences par des comparaisons croisées des nombreux résultats. Cette étude se place dans ce contexte avec pour objectif de réaliser des simulations à haut nombre de Reynolds (à l’aide de SGE) pour des configurations de vol réalistes (phase de dé- collage, de croisière et d’approche). Plusieurs paramètres sont testés comme la distance de séparation entre le jet et le tourbillon, l’intensité du jet vis-à-vis de celle du tourbillon ainsi que sa température. Dans ce chapitre, on appellera jet chaud celui dont le champ de tempé- rature est anisotherme, et jet froid dans le cas isotherme (à température atmosphérique). Ce chapitre est composé de quatre sections. La première section est dédiée à la modélisation ainsi qu’aux différentes hypothèses utilisées. La seconde présente les résultats des simulations SGE en conditions de croisière. La troisième section concerne l’interaction pendant les deux phases de vol hypersustenté, et enfin la dernière section présente les configurations d’interac- tion tenant compte de la température du jet.