E TUDE DE L ’ ECOULEMENT DE REFERENCE
2. E COULEMENT DE REFERENCE : MAQUETTE ECHELLE ¼
2.3. T OPOLOGIE MOYENNE DE L ’ ECOULEMENT
Cette troisième partie va s’attacher à décrire l’écoulement moyen s’établissant dans le sillage du corps de Ahmed. Dans cette optique, l’examen des visualisations pariétales est complété par des plans de tomographie afin de faire ressortir l’empreinte des différentes structures tourbillonnaires. Des plans PIV viennent clore cette partie en mettant en évidence de manière nette l’effet Reynolds qui affecte le bulbe décollé.
2.3.1. Visualisations pariétales
L’examen plus approfondi des visualisations pariétales permet d’avoir un aperçu global de la topologie moyenne de l’écoulement. Les lignes de frottement permettent en effet de visualiser l’empreinte en paroi des différentes structures qui composent le sillage. La Figure 86 présente les résultats obtenus à 20 m/s (Re = 1.4 106).
Figure 86 : Visualisation pariétale de l'écoulement à 20 m/s (Re = 1.4 106) avec identification des différentes structures
L’identification des différentes lignes de séparation et d’attachement sur la lunette permet d’apprécier l’empreinte des deux tourbillons longitudinaux, caractéristiques de la configuration haute trainée, de part et d’autre du bulbe décollé. La topologie est donc bien celle attendue pour un angle de lunette de 25°, et les différentes structures sont présentes. Dans le cas de la Figure 86, à un nombre de Reynolds de 1.4 106, la taille du bulbe décollé est également en accord avec d’autres études, notamment celle de Thacker [44] (voir Tableau 1, Chapitre I), et s’étend sur environ les trois quart de la lunette dans le plan médian (LR/LL = 0.7). On constate néanmoins que l’écoulement présente une légère asymétrie (voir la taille des tourbillons longitudinaux), qui peut être due à un défaut de positionnement de la maquette par rapport à l’axe de l’écoulement principal.
2.3.2. Tomographies de pertes de pression d’arrêt
Comme précisé dans le premier chapitre de ce manuscrit, les tomographies de pertes de pression d’arrêt dans le sillage permettent de localiser les zones où des pertes d’énergie volumiques se produisent à cause des différentes structures générées dans le sillage.
Des plans de tomographie ont donc été réalisés dans le sillage la maquette échelle ¼ à différents nombres de Reynolds. Ces mesures ont été réalisées à l’aide de l’explorateur robotisé et de la sonde de Kiel. Les dimensions et la position du plan correspondant aux résultats présentées Figure 88 sont détaillées Figure 87. Les dimensions ont été choisies de façon à englober toutes les structures. Le plan est situé à 144 mm en aval de la maquette, soit à une distance relative ΔX/h0 = 0.5 (avec h0 la hauteur du corps). Le choix de cette distance permet la comparaison avec d’autres études. Chaque plan est composé de 234 points, soit 13 dans la largeur et 18 dans la hauteur : il en résulte un maillage carré avec un espacement de 20 mm.
Les mesures ont été réalisées à deux nombres de Reynolds différents correspondant à des vitesses soufflerie de 20 m/s et 30 m/s. Les résultats sont visibles Figure 88. Chaque point est le résultat d’une moyenne sur 10 s.
Ces résultats sont cohérents avec les résultats relevés dans la bibliographie, notamment
de Cpi et leurs variations spatiales (voir partie 1.3.3, chapitre I). Des pertes importantes sont en effet observées au cœur des tourbillons longitudinaux, en accord avec les travaux de Beaudoin et al. [54], qui les désignent comme les zones les plus dépressionnaires du sillage. La signature du bulbe décollé est quant à elle caractérisée par un gradient de Cpi induit au milieu de la lunette.
Figure 87 : Position et dimensions des plans de tomographie de référence par rapport à la maquette
Figure 88 : Tomographie de perte de pression d'arrêt : Re = 1.4 106 (gauche) et Re = 2.1 106 (droite)
La comparaison des plans aux deux nombres de Reynolds différents est également intéressante et confirme les résultats des mesures de pression pariétale. La topologie de l’écoulement est globalement conservée (les même structures sont présentes), mais les pertes dans la zone du bulbe décollé semblent moins importantes avec l’augmentation du Reynolds. On peut y voir ici un lien avec la diminution de la taille de la structure observée avec les mesures
longitudinal présenté Figure 88 semble diminuer avec le nombre de Reynolds, et cette diminution s’accompagne d’un gradient de pression totale plus important dans cette zone.
2.3.3. Mesures PIV
Pour terminer l’étude de l’écoulement de référence autour du corps de Ahmed échelle ¼, plusieurs résultats de mesures PIV vont être présentés. Ils apportent des confirmations intéressantes sur plusieurs points importants relevés précédemment.
La Figure 89 présente les résultats des mesures effectuées sur la lunette dans le plan médian Y = 0. Il s’agit du champ de vecteurs vitesse, auquel est superposé le champ des iso-vitesses suivant l’axe X. De haut en bas, les nombres de Reynolds sont de Re = 1.4 106 (20 m/s), Re = 2.1 106 (30 m/s) et Re = 2.8 106 (40 m/s).
Figure 89 : Plans PIV de la lunette dans le plan médian (Y = 0) : champs de vecteurs vitesse et champs des iso-vitesses longitudinales pour Re = 1.4 106 (20 m/s), Re = 2.1 106 (30 m/s) et Re = 2.8 106 (40 m/s)
Pour les trois nombres de Reynolds, le décollement est clairement visible, en particulier grâce aux vitesses négatives crées par le courant de retour. La taille de la zone de recirculation diminue néanmoins de manière conséquente avec l’augmentation de la vitesse. Ces résultats confirment donc la tendance observée sur les visualisations pariétales et l’analyse des champs de pression. On observe également un écrasement de la couche limite en amont de l’arête avec l’augmentation du nombre de Reynolds.
ainsi que le champ des iso-vitesses dans ce plan. La structure de l’écoulement de culot est ainsi clairement visible avec en particulier les deux cellules contrarotatives asymétriques mises en évidence lors de l’étude bibliographique. L’évolution de ces structures avec le nombre de Reynolds est également cohérente avec les observations d’autres auteurs : à mesure que la vitesse augmente, la cellule supérieure diminue en taille au profit de la cellule inférieure et tend également à s’éloigner du culot. Il y a donc une tendance à la symétrisation de ces deux zones tourbillonnaires à mesure que le décollement diminue. Pujals et al. [103] ou encore Rouméas et al. [102] ont par ailleurs montré que la topologie, dans ce plan médian, tend vers une structure totalement symétrique suite à un recollement, malgré qu’il n’y ait pas de symétrie au niveau du corps, et donc pas de raisons que l’écoulement le soit.
Enfin la Figure 91 présente des plans transversaux mesurés dans le sillage à ΔX/h0 = 0.5 (144 mm) derrière la maquette. Ces plans donnent des informations importantes sur les tourbillons longitudinaux, et les fortes valeurs de vitesses transverses mesurées reflètent bien le côté très énergétique de ces structures. La comparaison des deux graphiques permet de voir que ces vitesses transverses augmentent avec le nombre de Reynolds, grâce à une alimentation en fluide plus importante depuis les flancs de la maquette. La position des structures est relativement stable en fonction du nombre de Reynolds, mais la zone affectée par les tourbillons semble par contre augmenter avec celui-ci, et des valeurs de vitesses transverses importantes se retrouvent sur toutes la lunette par effet d’entraînement.
Figure 90 : Plan PIV du sillage dans le plan médian (Y = 0) : lignes de courant et champs des iso-vitesses pour Re = 1.4 106 (20 m/s), Re = 2.45 106 (35 m/s) et Re = 2.8 106 (40 m/s)
Les champs de vecteurs vitesse permettent également de vérifier le comportement de la
2.2.3), résultant de son advection dans le sillage, sont bien visibles, confirmant ainsi la structure d’écoulement proposée par Krajnovic et Davidson [37].
Figure 91 : Plans transverses PIV de sillage (ΔX/H0 = 0.5) : champs des vecteurs vitesse transverses et champs des iso-valeurs associées Re = 1.4 106 (20 m/s) et Re = 2.1 106 (30 m/s)
Ces résultats de mesures PIV concluent la présentation de la topologie moyenne de l’écoulement de référence autour de la maquette échelle ¼. L’écoulement y apparaît comme satisfaisant au regard des différentes références bibliographiques. Dans l’optique d’un contrôle du bulbe décollé, la couche limite sur le pavillon et la couche cisaillée au-dessus de la lunette vont maintenant être caractérisées plus finement.