Sommaire
1 Introduction . . . 62 2 Montage exp´erimental . . . 64 2.1 Syst`eme d’alimentation du fluide . . . 64 2.2 Veine hydrodynamique . . . 65 2.3 Profil utilis´e . . . 66 3 Instrumentation de la manipulation . . . 68 3.1 V´elocim´etrie par image de particules PIV . . . 68 3.1.1 Principe . . . 68 3.2 Mise en œuvre de la PIV . . . 69 3.2.1 Ensemencement . . . 69 3.2.2 Source Laser . . . 69 3.2.3 Syst`emes d’enregistrement des images . . . 69 3.2.4 Traitement des images de particules . . . 70 3.2.5 Post-traitement . . . 71 3.3 Estimation de la pr´ecision . . . 71 3.3.1 Effet de peak-locking . . . 71 3.3.2 R´epartition des vitesses de l’´ecoulement . . . 72 3.3.3 Convergence des moyennes statistiques . . . 73 4 An´emom´etrie film chaud . . . 75 5 R´esultats exp´erimentaux . . . 76
1 Introduction
Ce chapitre est consacr´e `a une pr´esentation de l’´ecoulement ´etudi´e et des diff´erents r´egimes de l’´ecoulement ainsi que du dispositif exp´erimental et des techniques de mesure utilis´ees lors de cette th`ese : la v´elocim´etrie par image de particule et la mesure par an´ e-mom´etrie film chaud, r´ealis´ees ici sur une configuration bidimensionnelle de l’´ecoulement autour d’un profil NACA0012 pour des angles d’incidence de 10◦, 15◦, 20◦, 30◦ et `a des nombres de Reynolds Re=1000 et Re=2000. Pour ces diff´erentes configurations ´etudi´ees, les champs de vitesse de l’´ecoulement sont obtenus par V´elocim´etrie par Images de Parti-cules (PIV) r´esolue en temps sur un temps d’acquisition permettant d’obtenir des s´eries temporelles de 2048 et 10244 champs. L’´etablissement de grandes bases de donn´ees consti-tu´ees par les champs de vitesse PIV r´esolus en temps permet ainsi, outre la construction du mod`ele r´eduit par POD, de tester des m´ethodes de calibration du mod`ele r´eduit sur un large temps d’assimilation ainsi que la r´eduction du nombre de snapshots contenues dans ces bases. Des mesures par an´emom´etrie film chaud synchronis´ees avec la PIV sont r´ealis´ees dans le sillage du profil NACA0012 et utilis´ees ensuite pour reconstruire l’´ ecou-lement u(x,y,t) sur l’ensemble du domaine d’acquisition en utilisant un signal de nature physique diff´erente.
Cet ´ecoulement de r´ef´erence a largement ´et´e ´etudi´e en laboratoire dans le cadre de conventions avec la DGA et la DRET et ´egalement dans l’application au vol battu. Des comparaisons exp´erimentales et num´eriques ont ´et´e men´ees sur l’´ecoulement naissant autour de ce profil. Des visualisations par PIV et PTV (Particle Tracking Velocimetry) sur un profil NACA0012 pour des nombres de Reynolds compris entre 600 et 2400 ont ´
et´e r´ealis´ees par (Huang et al., 2001). Il existe peu d’´etudes num´eriques instationnaires d’´ecoulements autour de profils d’aile `a des nombres de Reynolds comparables. On peut citer les travaux de Wang (1995), qui ´etudie d’abord des profils NACA0012 `a bas nombre de Reynolds, l´eg`erement inclin´es. Ses calculs sont effectu´es `a un nombre de Reynolds de 1000, `a l’aide d’un code DNS pour un ´ecoulement incompressible en deux dimensions. Sur le plan num´erique, on peut ´egalement citer les travaux de Nair and Sengupta (1997) pour la simulation num´erique directe du sillage tourbillonnaire de cylindres de forme elliptique pour des nombres de Reynolds de 3000 et 10000 et des angles d’incidences de 10◦, 12◦ et 30◦. Ces simulations ont permis d’approfondir l’´etude de Huang et al. (2001) et ´egalement de fournir la r´epartition de pression engendr´ee `a la surface du profil par les diff´erents tourbillons. Une ´etude num´erique sur les performances d’un profil `a des nombres de Reynolds compris entre 1000 et 6000 a ´et´e r´ealis´ee par Kunz (2001) mais sans toutefois aborder le cas des grandes incidences avec lˆachers tourbillonnaires. Une ´etude sur les profils en oscillation dans la phase de d´emarrage a ´et´e r´ealis´ee par Ohmi et al. (1990). Sur la figure 3.1 est montr´e un exemple de visualisation par traceurs ´electrochimiques pour un profil NACA0012 avec angle d’incidence de 45◦ et pour un nombre de Reynolds de 1000, qui permet de mettre en ´evidence la dynamique tourbillonnaire g´en´er´ee d`es les premiers instants (Pineau et al., 1994). De telles ´etudes ont ´egalement ´et´e men´ees sur des profils oscillants de type NACA0012 et NACA0015 pour les premiers instants de d´emarrage (Ohmi et al., 1990). Enfin, r´ecemment les recherches entreprises sur la compr´ehension de la formation tourbillonnaire et de leurs structures dans le cadre d’un mouvement de vol battu exp´erimentalement et num´eriquement ont montr´e la sensibilit´e de tels ´ecoulements `
a l’angle d’incidence du profil et aux phases d’acc´el´eration et de d´ec´el´eration, figure 3.2 (Jardin et al., 2009).
L’objectif ´etant ici de travailler sur des ´ecoulements poss´edant en fonction d’un faible nombre de param`etres des dynamiques tourbillonnaires diff´erentes, cet ´ecoulement a ´et´e choisi comme ´etat de r´ef´erence. Les nombres de Reynolds bas´es sur la corde qui sont ici mis en jeu sont faibles, ce qui permet de faire l’hypoth`ese que les m´ecanismes physiques mis en jeu restent bidimensionnels. La turbulence ´etant absente `a de tels nombres de Reynolds, l’´ecoulement n’est constitu´e que de tourbillons. Les diff´erents type de lˆachers tourbillonnaires d’un profil NACA0012 en fonction de l’angle d’incidence et du nombre de Reynolds ont ´et´e ainsi d´etermin´es par Huang et al. (2001) (Figures 3.3 et 3.4). Plusieurs r´egimes de tourbillons en fonction de l’incidence peuvent ˆetre distingu´es. Pour chacun de ces r´egimes, l’identification de la structure du lˆacher tourbillonnaire au voisinage du profil est faite en se basant sur la classification propos´ee par Huang et al. (2001) : type A « attached low », type B « trailing edge vortex », type C « separation vortex », type D « leading edge vortex », type E « bluff body effect ».
Figure 3.1 – Visualisation par traceurs chimiques de l’´ecoulement naissant autour d’un Naca 0012 pour un nombre de Reynolds de 1000 (d’apr´es (Pineau et al., 1994))
Figure 3.2 – Comparaison DNS/PIV 2D2C dans la phase de d´ec´el´eration du mouvement d’uptroke de l’´ecoulement autour d’un profil Naca 0012. (Jardin et al., 2009)
Figure 3.3 – Classification des diff´erents types de lˆacher tourbillonnaire en fonction de l’incidence et du nombre de Reynolds.
Figure 3.4 – Description de chaque type de lˆacher tourbillonnaire