Contrôle de décollement sur rampe par fente synthétique pulsée






   Les résultats exposés dans cette partie ont été calculés à partir du maillage 2D précis à 60000 mailles. Des simulations ont été réalisées dans un premier temps sans jet synthétique pour mettre en avant le phénomène physique de décollement. Enfin, des simulations avec l’ajout d’un jet synthétique ont permis de prouver l’utilité d’un tel jet (sous certains paramètres physiques fixés : vitesse et fréquence du jet) pour réduire le décollement de la couche limite (en repoussant le point de décollement).

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Résultats sans jet synthétique

    Sans jet synthétique, on observe des recirculations du fluide au niveau du volet suivie de détachements tourbillonnaires. Le fluide a donc décollé. Remarque : la vitesse d’écoulement du fluide en amont de l’aile est de 20 m/s.

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                                    Profil de vitesse sur l’aile et le volet                                                                                             Vecteurs vitesse sur le volet

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Décollement du fluide


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Viscosité turbulente

Vidéos : simulation sans jet synthétique

Skin Friction

k - Energie cinétique turbulente

Vecteurs Vitesse


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Résultats avec jet synthétique

    On décide maintenant d’intégrer à la géométrie un jet synthétique dont les caractéristiques sont les suivantes :

  • jet synthétique perpendiculaire à la plaque ;
  • vitesse de contrôle de 20 m/s ;
  • fréquence de 300 Hz.
Avec ce jet synthétique, les résultats tirés d’une simple observation des images ne sont pas évidents. Néanmoins, on constate que les frottements pariétaux sur le volet semblent être plus importants pendant la période d’aspiration du jet et moins importants au soufflage. La vidéo intégrée dans ce site Internet décrit clairement ce qu’il se passe. On observe respectivement un détachement et un recollement de la couche limite lorsque le jet souffle puis aspire. Voici ci-dessous deux images prises de la vidéo décrivant ce phénomène :



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Détachement de la couche limite (soufflage) - Recollement de la couche limite (aspiration)


Vitesse stable


    Pour confirmer cette tendance, l’analyse comparative qui suit décrit l’évolution des coefficients aérodynamiques (de portance et de traînée) avec ou sans jet (rappel : la vitesse de jet est de 20 m/s et la fréquence est fixée ici à 300 Hz). Les tracés de couleur rose et bleue représentent respectivement l’évolution des coefficients de portance ou de traînée avec et sans jet.



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Evolution des coefficients de traînée et de portance

    On remarque donc bien une diminution des performances aérodynamiques (augmentation de traînée et diminution de la portance) lorsque le jet synthétique souffle et à l’inverse, une augmentation des performances aérodynamiques (diminution de la traînée et augmentation de la portance) pendant la période d’aspiration. Cependant, ces graphes ne sont pas réellement exploitables. Il est difficile de conclure à partir de ces derniers si dans l’ensemble, l’intégration d’un jet sur une aile est bénéfique ou non pour réduire le décollement de la couche limite et ainsi augmenter les performances aérodynamiques. C’est pourquoi, il faut parler en terme de moyenne pour pouvoir convenablement comparer.

    La moyenne de chaque coefficient est prise sur une période de temps et les valeurs obtenues sont :

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Comparaisons des coefficients de portance et de traînée pour une fréquence de 300 Hz

    Pour une vitesse de jet de 20m/s et une fréquence de 300 Hz, les résultats sont satisfaisants. En terme de moyenne, la valeur du coefficient de portance est plus élevée que celle obtenue sans jet synthétique et la valeur du coefficient de traînée, quant à elle, est plus petite. Ces résultats semblent donc être concluants pour affirmer que la fente pulsée permet d’améliorer les performances aérodynamiques. Néanmoins, ces performances sont améliorées de seulement 1%. La partie suivante va donc s’intéresser à optimiser les paramètres du jet pour obtenir de meilleurs résultats en terme de performances aérodynamiques.

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Optimisation des paramètres en 2D

    Quatre paramètres peuvent jouer dans l’optimisation des résultats obtenus :
  • Position du jet
  • Fréquence du jet
  • Vitesse du jet
  • Direction du jet.
Position du jet :

    Sans jet synthétique, on observe que le détachement de la couche limite est situé en haut du volet. Cela laisse supposer que la fente est à placer également en haut du volet pour obtenir de bons résultats.

Fréquence du jet :

    Pour que le contrôle soit le plus efficace possible, la fréquence du jet doit correspondre à la fréquence naturelle générée pas les instabilités de l’écoulement. Autrement dit, ces deux fréquences doivent être étroitement liées pour éviter qu’une importante différence de fréquences entre les deux ne génère des instabilités indésirables Or la fréquence naturelle de l’écoulement est estimée physiquement par le nombre de Strouhal, nombre qui décrit les mécanismes de circulation oscillante :
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Avec
  • f = fréquence d’émissions des tourbillons
  • L = longueur caractéristique, ici l’épaisseur de la plaque soit 34 mm
  • V = vitesse du fluide.


   Si l’on considère la valeur optimale de Strouhal, à savoir 0.2, et la vitesse d’écoulement du fluide à 20m/s, alors la fréquence d´émissions des tourbillons est de 150 Hz. Ainsi en théorie, indépendamment des autres paramètres mis en jeu, la fréquence de contrôle de jet devrait être de 150 Hz pour améliorer au mieux les performances aérodynamiques.

    Pour vérifier si cette approche théorique est valable, il peut être intéressant de faire une analyse comparative qui consiste à suivre l’évolution des coefficients aérodynamiques en fonction de la fréquence de jet, pour une vitesse de jet donnée (on choisira pour cette étude, une vitesse de jet de 20m/s).

Remarque :     On choisit judicieusement pour les valeurs des fréquences, des multiples de 150 Hz. En effet, cela devrait garantir que l’insertion du jet                        à ces fréquences-ci ne perturbe pas l’écoulement.

Les valeurs obtenues pour les moyennes des coefficients aérodynamiques sont les suivantes :
  • Moyenne du coefficient de portance :
    • A 150 Hz : Cl = 0,98733279
    • A 300 Hz : Cl = 0,96685696
    • A 600 Hz : Cl = 0,97314499


  • Moyenne du coefficient de traînée :
    • A 150 Hz : Cd = 0,07287383
    • A 300 Hz : Cd = 0,07395965
    • A 600 Hz : Cd = 0,07395236
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Comparaisons des coefficients de portance et de traînée pour une vitesse de jet de 20 m/s


   On remarque donc que pour une vitesse d’écoulement et de jet de 20 m/s, les meilleures performances aérodynamiques sont bien atteintes lorsque le jet souffle et aspire avec une fréquence de 150 Hz (maximum de portance avec un minimum de traînée d’après les deux graphes). Ces performances sont améliorées d’environ 2% par rapport à une géométrie ne possédant pas de jet synthétique encastré dans son aile.

Remarque :
Il s’avère que certaines fréquences de jet déclenchent de fortes instabilités qui pourraient mettre en péril l’avion et tous ses passagers. Après quelques tests, on suppose que ces fréquences sont celles qui ne sont pas multiples de 150 Hz. La vidéo intégrée dans ce site Internet montre un exemple d’instabilités pour une valeur de 318 Hz. Les valeurs des coefficients aérodynamiques sont également très instables comme le montre les deux graphes suivants :

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Fortes instabilités à la fréquence 318 Hz
Vitesse instable


Vitesse du jet :

    Pour que le contrôle soit le plus efficace possible, on peut également jouer sur la vitesse du jet. Sachant que la vitesse d’écoulement du fluide est de 20 m/s, on a voulu savoir si la vitesse optimale du jet avoisinerait les 20 m/s. Pour cela, une nouvelle analyse comparative qui, cette fois-ci, consiste à suivre l’évolution des coefficients aérodynamiques en fonction de la vitesse de jet, pour une fréquence de jet fixée à 150 Hz.

   Les valeurs obtenues pour les moyennes des coefficients aérodynamiques sont les suivantes :

  • Moyenne du coefficient de portance :
    • A 0 m/s : Cl = 0,97224391
    • A 20 m/s : Cl = 0,98733279
    • A 30 m/s : Cl = 0,95606059


  • Moyenne du coefficient de traînée :
    • A 0 m/s : Cd = 0,07265652
    • A 20 m/s : Cd = 0,07287383
    • A 30 m/s : Cd = 0,0751984


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Comparaisons des coefficients de portance et de traînée pour une fréquence de 150 Hz

   On remarque bien d’après les graphes que les meilleures performances aérodynamiques sont atteintes lorsque la vitesse du jet est de l’ordre de 20 m/s. Même si le coefficient de traînée est très légèrement supérieur à celui d’un modèle sans jet, les performances en portance sont fortement améliorées. Il est dont intéressant d’utiliser un jet soufflant et aspirant à 20 m/s. Le cas d’une vitesse de jet à 30 m/s n’est pas approprié pour ce cas-là (maillage 2D à 60000 mailles avec la fente perpendiculaire au volet) puisque le coefficient de traînée augmente et le coefficient de portance diminue significativement.

Orientation du jet :

    Tous les paramètres exposés dans les sous-parties précédentes ont été traités pour un même maillage : le maillage 2D précis à 60000 mailles avec la fente pulsée perpendiculaire au volet. Il serait donc maintenant intéressant de savoir si l’orientation de du jet peut améliorer les performances aérodynamiques et si elle influence les paramètres optimums trouvés précédemment, à savoir un jet dont la fréquence est 150 Hz et la vitesse 20 m/s.

   Ainsi, toutes les simulations réalisées pour le maillage 2D à 60000 mailles ont été refaites pour tous les nouveaux maillages crées et les moyennes des coefficients aérodynamiques ont été à nouveau calculées. Sur les deux graphes ci-dessous :

  • le maillage v3 correspond au maillage 2D-60000 mailles avec fente perpendiculaire à la plaque,
  • le maillage v4 correspond au maillage 2D-60000 mailles avec fente perpendiculaire au volet,
  • le maillage v5 correspond au maillage 2D-60000 mailles avec fente parallèle à la plaque,
  • le maillage v6 correspond au maillage 2D-12000 mailles avec fente à 16.5 degrés par rapport à la plaque,
  • le maillage v6_2 correspond au maillage 2D-60000 mailles avec fente à 16.5 degrés par rapport à la plaque.

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Comparaisons du coefficient de portance sur tous les maillages
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Comparaisons des coefficients de traînée sur tous les maillages

   On observe d’une manière générale que les paramètres trouvés dans les parties précédentes pour optimiser le recollement de la couche limite ne constituent pas pour tous les maillages la meilleure des solutions.

    En effet, pour le maillage v5 par exemple, une vitesse de jet de 30 m/s est plus appropriée ainsi qu’une fréquence de 600 Hz. Ou encore une vitesse de jet de 20 m/s, avec une fréquence de 600 Hz, semble optimiser, pour le maillage v4, les performances aérodynamiques.

    Cependant, pour une vue d’ensemble, on remarque que les maillages sont de plus en plus efficaces, c’est-à-dire que l’orientation de la fente joue un rôle capital dans l’augmentation (en moyenne) de la portance et dans la diminution (en moyenne) de la traînée, et ce quel que soient les paramètres de contrôle fixés lors des différentes simulations.

Remarque 1 :
Pour une géométrie différente, les simulations sans jet ne donnent pas les mêmes résultats. On suppose que cela s’explique par le fait que la présence de la fente dans le maillage peut interagir avec l’écoulement du fluide, plus ou moins, suivant son orientation.

Remarque 2 :
Les résultats du maillage v6 diffèrent trop des autres pour les considérer comme cohérents. Nous avons donc décidé de créer un maillage v6_2, identique au précédent mais plus précis, pour comparer leurs résultats. Les résultats sur les coefficients de portance du maillage v6_2 redeviennent cohérents puisqu’en moyenne, leurs valeurs sont plus petites que celles du maillage v5 mais plus élevées que celles du maillage v4, ce qui semble être logique. Cependant, les résultats du maillage v6 sur les coefficients de traînée sont encore trop élevés. Peut-être est-ce dû au fait qu’une fente placée quasiment parallèlement à la plaque a une action moins efficace en période de soufflage. Quoiqu’il en soit, le maillage v6 (grossier à 12000 mailles) ne donne pas de bons résultats. Une extrusion en 3D ne sera donc pas réalisée à partir de ce maillage pour éviter d’avoir des résultats peu convaincants.

    Nous venons donc de récolter un certain nombre de résultats à l’aide de différentes géométries 2D. Il est maintenant intéressant de porter notre étude à des cas 3D. En effet, comme dit précédemment, la tridimensionnalisation de l’écoulement apporte quelques modifications qui méritent d’être soulignées, par rapport aux résultats obtenus lors des études 2D.

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Etude 3D

    Dans toute cette partie, les résultats sont tirés d’une seule et même géométrie : le maillage 3D à 300 000 mailles (orientation de la fente : 16.5 degrés). D’autres modèles ont été crées, notamment des plus précis comme 500 000 mailles ou encore 1 200 000 mailles. Mais ces derniers demandaient beaucoup trop de temps de calculs lors des simulations numériques (une semaine 24h/24h) et malheureusement un dysfonctionnement de starccm+ trop fréquent nous empêchait d’avancer convenablement le projet. On a donc préféré se contenter d’un maillage plus grossier de 300 000 mailles pour limiter les temps de calculs tout en espérant que les résultats soient convenables. Mais ce dernier maillage ne correspond pas en nombre de mailles à la généralisation du maillage v6 (car il aurait fallu construire une géométrie de 60 000 mailles), ni du maillage v6_2 (construction d’un modèle de 1 000 000 mailles). C’est pourquoi, dans la suite des résultats, l’étude portera sur la tendance et sur une approximation globale des valeurs.

Remarque :
Vu que ce maillage est ‘grossier’, nous avons rencontré des problèmes de convergence en simulations numériques. En effet, on s’est rendu compte que pour éviter ce type de problèmes, il fallait diminuer le pas de temps et le nombre de courant. Il fallait aussi laisser converger les résidus pendant au moins 30000 à 40000 itérations. Ayant perdu beaucoup de temps entre les simulations perdues pour cause de dysfonctionnement de starccm+ et les simulations pour lesquelles les résidus ne convergeaient pas, nous avons fini par ne laisser calculer que pendant 15000 itérations environ, soit environ 4 à 5 jours de calculs suivant l’ordinateur utilisé.

    On peut dans un premier temps confirmer que l’intégration d’un jet synthétique sur l’aile est bénéfique et améliore les performances aérodynamiques. En effet, les deux graphes suivants décrivent le frottement pariétal (en moyenne) du modèle avec et sans jet :

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frottement pariétal sur le volet avec (droite) ou sans (gauche) jet synthétique


    On remarque bien que le frottement pariétal est plus élevé en moyenne pour un système avec jet synthétique, ce qui veut dire que la fente pulsée repousse les points de décollement sur le volet et donc recolle en partie la couche limite.

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Calculs des coefficients aérodynamiques en 3D
Echelles allant de 0 à 0,12 pour le coefficient de trainée et de 0 à 1,4 pour le coefficient de portance.
Experiences respectivement de gauche à droite: vit20_sin0; vit20_sin20_300Hz; vit20_sin30_300Hz; vit_20_sin20_150Hz.

    Pour le maillage 3D, les résultats entre la 2D et la 3D diffèrent légèrement. On a une même tendance, à savoir que les résultats sont plus performants lorsque la vitesse de contrôle est de l’ordre de 30 m/s. De plus, les paramètres qui maximisent l’efficacité du jet synthétique en 2D et 3D sont les mêmes : vitesse de contrôle de 30 m/s et fréquence de 300 Hz Néanmoins, dans sa globalité, les valeurs des coefficients aérodynamiques sont plus élevées en 3D qu’en 2D. (cf. figures 19 et 20)

Remarque :
On peut penser que les valeurs diffèrent entre les cas 2D et 3D du fait que les simulations n’ont pas été lancées avec le même logiciel (Fluent pour 2D, Starccm+ pour 3D) et que les simulations n’ont pas convergé totalement en 3D par manque de temps.

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