Les techniques actives

L’id´ee principale des techniques actives est de modifier localement les propri´et´es de la couche limite dans le but par exemple de supprimer ou de retarder un d´ecollement. La perturbation a´erody-namique locale est le plus g´en´eralement introduite via un jet. Un des avantages de ce type de contrˆole est qu’il peut s’adapter aux param`etres de l’´ecoulement afin de rendre le contrˆole plus efficace. Il peut ´egalement ˆetre d´esactiv´e lorsque son utilisation n’apporte pas de performances a´erodynamiques sup-pl´ementaires.

Dans la litt´erature, plusieurs types de contrˆole par jets sont g´en´eralement utilis´es : le soufflage continu, l’aspiration continue, le soufflage p´eriodique et la combinaison d’un soufflage et d’une aspira-tion p´eriodique. Le soufflage continu est une m´ethode utilis´ee afin de renforcer une couche limite pour limiter son d´ecollement en effectuant un soufflage tangentiel `a l’´ecoulement. Le jet permet

d’augmen-Figure 2.40: Cartographies du champ de vitesse lors de la phase de soufflage, d’apr`es Bera et al. [17].

ter la quantit´e de mouvement dans la couche limite la rendant plus robuste face `a des gradients de pression adverses. Le jet continu peut ´egalement ˆetre utilis´e pour att´enuer des structures tourbillon-naires en effectuant cette fois-ci un soufflage normal `a la paroi. L’aspiration continue va quant `a elle supprimer les basses vitesses d’une couche limite afin de la rendre plus robuste face `a des gradients de pression adverse. Cette technologie est par exemple utilis´ee dans les souffleries pour limiter la croissance de la couche limite sur le sol. Pour le soufflage p´eriodique, on distingue des technologies telles que les actionneurs plasma, les jets synth´etiques et puls´es. Les actionneurs plasma ne seront pas ´evoqu´es car ces technologies n’ont pas ´et´e utilis´ees lors de cette de th`ese. Les jets synth´etiques ne sont pas non plus utilis´es, cependant les caract´eristiques de ces jets sont tr`es proches de celles des jets puls´es choisis dans cette th`ese. Les donn´ees bibliographiques sont plus nombreuses pour les jets synth´etiques que pour les jets puls´es, les paragraphes suivants sont d´edi´es `a la description des jets synth´etiques.

Un jet synth´etique est un soufflage p´eriodique `a d´ebit nul. Le d´eplacement sinuso¨ıdal d’une mem-brane cr´ee un jet comprenant une phase de soufflage et une phase d’aspiration. Cette technologie ne n´ecessite donc pas d’alimentation en air pour fonctionner. Une alimentation ´electrique est uni-quement n´ecessaire pour g´en´erer le signal de commande p´eriodique permettant de piloter le jet en fr´equence et en amplitude. Le lecteur pourra se r´ef´erer aux travaux de Cattafesta et al. [23] pour avoir davantage de d´etails sur les actionneurs existants (syst`eme m´ecanique, acoustique et pi´ezo-´electrique). La topologie d’un jet synth´etique a ´et´e caract´eris´ee exp´erimentalement par B´era et al. [17]. L’´ecou-lement en sortie de fente, lors de la phase de soufflage, est constitu´e d’une paire de structures tour-billonnaires qui est par la suite convect´ee dans le jet comme l’illustre la figure 2.40. Getin [44] met en ´evidence que ces structures tourbillonnaires sont `a l’origine de zones d´epressionnaires o`u la valeur minimale de la pression est localis´ee au voisinage du centre des structures tourbillonnaires. Cet au-teur ´etudie ´egalement l’interaction du jet puls´e avec une couche limite turbulente sur plaque plane. La figure 2.41 permet d’observer la topologie de l’´ecoulement `a proximit´e de la fente sur une p´eriode d’actionnement. Au d´ebut de la phase de soufflage, une seule structure tourbillonnaires est cr´e´ee en aval de la fente de soufflage et est ensuite convect´ee tout en grossissant. La structure tourbillonnaire en amont de la fente est supprim´ee par le cisaillement de la couche limite. La structure en aval de la fente de soufflage est responsable d’une tr`es forte d´epression comme le montre la figure 2.42. Cette interaction entre la couche limite et la structure tourbillonnaire aval engendre une augmentation du m´elange dans la couche limite, id´eale pour rendre cette derni`ere plus robuste face aux gradients de pression adverse.

2.4.2.1 Description des jets puls´es

Le contrˆole actif par jet puls´e est une technologie n´ecessitant une alimentation pneumatique. L’alimentation en air est le plus souvent contrˆol´ee par des ´electrovannes pilot´ees par un syst`eme de commande. L’´evolution de la vitesse au cours d’une phase d’actionnement peut ˆetre perturb´ee par la

Figure2.41: Evolution lors d’un cycle d’actionnement de la structure de l’´ecoulement pour l’inter-action d’une couche limite turbulente sur plaque plane et un jet synth´etique, d’apr`es Getin [44].

Figure 2.43: ´Evolution de la vitesse de soufflage d’un jet puls´e `a 200 Hz pour diff´erentes pressions d’alimentation, d’apr`es Joseph [60].

pr´esence des ondes de pression pr´esentes notamment entre l’´electrovanne et la fente de soufflage. En effet, lors de l’ouverture/fermeture brusque de l’´electrovanne des ondes de pressions sont g´en´er´ees. Cela explique certainement sur la figure 2.43 le fait que la vitesse lors de la phase de soufflage ne soit pas constante. Par ailleurs, comme pour les jets synth´etiques, le d´ebut de la phase de soufflage est caract´eris´e par une paire de structures tourbillonnaires contra-rotatives qui est ensuite convect´ee dans l’´ecoulement comme le montre la figure 2.44. Deux structures comparables mais de plus petites tailles sont ´egalement g´en´er´ees lors de l’arrˆet du soufflage. Ce syst`eme utilis´e en interaction avec une couche limite va permettre d’en augmenter le m´elange par l’interm´ediaire des structures tourbillon-naires.

Outre la g´eom´etrie des orifices de soufflage, leurs r´epartitions et leurs emplacements, les jets pul-s´es sont caract´eripul-s´es par leurs fr´equences d’actionnement, la quantit´e de mouvement inject´ee et le

Figure2.44: Cartographies de la vitesse en sortie de fente de soufflage d’un jet puls´e `a 200 Hz pour les phases Φ = 0°(gauche) correspondant au d´ebut du soufflage et Φ = 40°(droite) d’apr`es Chalign´e [26].

La quantit´e de mouvement inject´ee s’exprime par l’interm´ediaire du param`etre Cµ, d´efini comme ´etant le rapport entre la quantit´e de mouvement inject´ee localement dans l’´ecoulement et une quantit´e de mouvement caract´eristique de l’´ecoulement `a contrˆoler. Diverses d´efinitions sont propos´ees dans la litt´erature [11, 52, 102]. Ici, on utilisera la d´efinition suivante :

C_µ= ^Sjuj,d

2

SU2 ∞

(2.2)

Avec u_j,dla vitesse moyenne de soufflage sur une p´eriode d’actionnement, U∞la vitesse de l’´ecou-lement infini amont, S_j la surface totale de l’orifice de sortie du jet et S l’aire frontale du corps ´etudi´e. Enfin, le rapport cyclique d’ouverture r, impos´e `a la loi de commande en tension, repr´esente la proportion de temps d’ouverture de l’´electrovanne T<sub>s</sub> par rapport `a la p´eriode d’actionnement du contrˆole. Il est d´efini par l’´equation (2.3) et est g´en´eralement donn´e en pourcentage.

r = Tsfac (2.3)

2.4.2.2 Application sur corps non profil´es `a culot droit

Le contrˆole par jet continu appliqu´e sur des corps non profil´es a ´et´e ´etudi´e par diff´erents auteurs [67, 92, 96, 111]. Une r´eduction de traˆın´ee est alors obtenue lorsque le jet est dirig´e vers l’int´erieur du sillage. N´eanmoins, l’´energie n´ecessaire pour obtenir ces r´esultats positifs est cons´equente, li´ee `a des vitesses de jet ´elev´ees. Cela p´enalise alors le bilan ´energ´etique global. Afin d’am´eliorer ce bilan ´energ´etique, l’utilisation de jets p´eriodiques se r´ev`ele efficace comme ont pu le constater plusieurs auteurs [15, 20, 90].

Barros [13, 14] ´etudie exp´erimentalement l’influence du contrˆole en positionnant des jets puls´es sur les quatre arˆetes arri`eres d’un corps d’Ahmed `a culot droit avec ReH = 3 × 10⁵. Malgr´e un point de d´ecollement toujours fig´e par la g´eom´etrie du mod`ele utilis´e, une augmentation de la pression moyenne au culot est constat´ee pour des fr´equences d’actionnement ´elev´ees (St<sub>H</sub> > 4, largement sup´erieures aux ´echelles de fr´equences caract´eristiques de l’´ecoulement naturel) comme le montre la figure 2.45a. Cependant, des gains cons´equents sur la pression sup´erieur `a 10% sont obtenus uni-quement pour des fr´equences d’actionnement St_H >∼ 10. A ces hautes fr´equences, les couches de cisaillement sont alors vectoris´ees vers l’int´erieur du sillage comme l’illustre la figure 2.45b et une forte diminution des tensions de Reynolds dans les couches de cisaillements sont observ´ees. Par ailleurs, la longueur du sillage n’est pas modifi´ee par rapport `a celle de l’´ecoulement naturel. Pour des fr´equences d’actionnement plus faibles, le contrˆole a pour cons´equence de diminuer la pression au culot et ainsi d’augmenter la traˆın´ee. La longueur du sillage est r´eduite et les niveaux des tensions de Reynolds

(a) (b)

Figure2.45: ´Evolution de la pression moyenne au culot en fonction de la fr´equence d’actionnement (a) et comparaison des lignes de courant apr`es le point de d´ecollement pour l’´ecoulement naturel et contrˆol´e `a haute fr´equence, d’apr`es Barros [14].

Figure2.46: Champs de vitesse moyenne sur corps d’Ahmed `a culot droit pour l’´ecoulement naturel (haut) et l’´ecoulement contrˆol´e `a haute fr´equence (bas) , d’apr`es Peres et al. [92].

augmentent consid´erablement dans les couches de cisaillement.

Des r´esultats similaires sont observ´es par Peres et al. [92] `a partir de simulation LES pour une inclinaison de 45°des jets puls´es vers l’int´erieur du sillage. Pour une fr´equence d’actionnement ´ele-v´ee de 700 Hz (St_H = 5), l’utilisation de micro-jets permet de r´eduire la traˆın´ee de 10%. La figure 2.46 met en ´evidence une vectorisation de l’´ecoulement vers l’int´erieur du sillage comme observ´e par Barros [14].