Décollement

Bien que nous nous intéressons plus particulièrement à un décollement de couche limite turbulente obtenu au travers de l’expérience de la surface plane surmontée d’une paroi flexible, nous nous intéresserons également aux résultats issus de la littérature se rapportant aux deux autres expériences décrites précédemment (expérience de la marche descendante et de la plaque plane avec bord d’attaque épais). Il est également important de noter que l’étude expérimentale des écoulements décollés ne nécessite pas nécessairement la simulation d’une bulle fermée. Beaucoup d’auteurs s’intéressent uniquement au décollement et n’étudient pas le recollement de la couche limite.

Tout d’abord, les définitions du décollement proposées dans les anciens travaux ainsi que la terminologie associée à la physique du décollement seront passées en revue. Ensuite, un aperçu des résultats expérimentaux et numériques concernant le décollement des couches limite turbulentes réalisées par le moyen d’une marche et d’une paroi flexible sera présenté synthétiquement.

1.3.4.1 Définitions et terminologie du décollement

Simpson (1981, p. 521) propose une définition du décollement de la couche limite turbulente comme étant le lieu où la couche limite quitte la paroi. Cette définition sommaire servira de base pour tous les travaux réalisés sur le décollement des couches limites turbulentes. D’autres définitions, basées sur des résultats cette fois-ci quantitatifs, sont données par Na et Moin (1998, p. 205). Pour une couche limite turbulente 2D en moyenne, ils proposent trois critères permettant de définir un point de décollement comme étant le lieu où :

• = 50%;

• ψ =0; • = 0.

est le coefficient de retour de flux, est la contrainte de cisaillement pariétal et ψ la ligne de courant moyenne. Les simulations numériques obtenues par Na et Moin (1998) démontrent que la localisation du décollement par l’intermédiaire de ces critères est très proche.

Comme le souligne Simpson (1981, p. 521) excepté dans des expérimentations semblables à l’expérience de la marche ou encore de la plaque plane avec bord d’attaque épais, le décollement de la couche limite turbulente est une zone et ne peut être perçu comme un point bien défini. Ainsi, le décollement doit plutôt être vu comme un phénomène de transition graduelle et instationnaire. Afin de délimiter la zone de décollement Simpson (1989, p. 206) propose d’utiliser le coefficient de retour de flux . Ce critère, lui a permis de diviser la zone de décollement en plusieurs sous parties telles que :

• = 1% : naissance du décollement (ID);

• = 20% : décollement intermittent transitoire (ITD); • = 50% : décollement transitoire (TD);

• = 100% : décollement complet (D).

Pour avoir une meilleure compréhension, se référer à la figure 1.7. Simpson (1989) met également en évidence que TD et D dans la majorité des situations correspondent au même point rejoignant ainsi la définition donnée par Na et Moin (1998).

Figure 1.6 Terminologie associée au décollement Tirée de Simpson (1989, p. 207)

1.3.4.2 Caractéristique du décollement obtenu par l’expérience de la surface plane surmontée d’une paroi flexible

La lecture des différents papiers concernant le décollement sur une surface plane obtenue par l’intermédiaire d’une paroi flexible nous a montré l’importance de différencier les aspects tridimensionnels dans les écoulements «moyens» et «instantanés».

Patrick (1987) génère une bulle de séparation sur une plaque plane par l’intermédiaire d’une paroi flexible. Au vu de la difficulté d’obtenir un décollement en moyenne parfaitement bidimensionnel avec ce type d’expérimentation, il définit que la ligne de séparation est considérée symétrique par rapport à l’axe de l’écoulement si sa déviation est inférieure à 5%, en excluant les zones proches des parois latérales (Patrick, 1987, p. 19). Cet exemple démontre que si le décollement n’est pas forcé comme dans le cas de l’expérience de la marche descendante et de la surface plane avec bord d’attaque épais (Voir Expérience de la plaque plane avec bord d’attaque épais, p. 19 et Expérience de la marche descendante, p. 20), il est difficile d’obtenir un décollement en moyenne bidimensionnel. Cependant, il semblerait que certains auteurs y soient parvenus. En effet, Perry et Fairlie (1975b, p. 664) ont réalisé un banc d’essai similaire à celui de Patrick (1987) et semblent obtenir un décollement moyen quasi bidimensionnel. On regrette cependant qu’aucune mesure latérale ne vienne justifier ce résultat.

En 2006, Angele et Muhammad-Klingmann (2006) obtiennent des mesures instantanées du coefficient de retour de flux ( ) le long de la bulle de séparation en utilisant la récente technologie de mesure PIV. Angele et Muhammad-Klingmann (2006, p. 216) concluent qu’instantanément la séparation est obligatoirement tridimensionnelle. Na et Moin (1998) ont simulé numériquement une séparation de couche limite turbulente :

« The shape of the instantaneous separation bubble is clearly changing with time. The detachment […] regions move significantly upstream and downstream indicating the highly unsteady nature of the flow in the separated zone.» (Na et Moin, 1998, p. 386)

Cette conclusion fondamentale, rejoint celle de Angele et Muhammad-Klingmann (2006) et renforce l’idée que la zone de décollement « instantanée » est nécessairement hautement tridimensionnelle.

Pour illustrer ces propos, nous pouvons nous reporter aux travaux de Maciel et al. (2006) qui créaient un décollement sur un profil d’aile. Ces derniers effectuent des mesures PIV et des visualisations par film d’huile proches de la ligne de décollement. Ces résultats permettent respectivement, comme nous l’avons décrit ci dessus, de qualifier le comportement instantané et moyen de la ligne de décollement. Les résultats qu’ils obtiennent (2006, p. 578) permettent de qualifier la ligne de décollement comme instantanément tridimensionnelle mais en moyenne bidimensionnelle.