Contrôle de décollement sur rampe par fente synthétique pulsée





Physique du décollement sur un corps portant

     

    L'occurrence d'un décollement de la couche limite sur une forme aérodynamique est l´un des principaux phénomènes limitant son domaine de vol. Du décrochage subsonique au buffeting transsonique, ce phénomène et ses conséquences vont restreindre le domaine d'utilisation du profil portant.

 

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Mécanique du décollement [1]

   

  Lors de la convection d'un écoulement de fluide visqueux sur un obstacle, les particules sont animées d'un mouvement entretenu par les forces d'inertie (advection) et retardées par des forces de viscosité se traduisant par un frottement pariétal. En présence d'un gradient de pression, peut s'exercer une action favorable (dans le sens de l'advection) ou défavorable (dans le sens contraire à l'advection). Le sens de cette action est déterminé par le signe du gradient de pression. Cet équilibre des forces mises en jeu dans la couche limite se traduit en tout instant par l'équation de quantité de mouvement sur chaque direction de l'écoulement:

equation1

    

Dans le cas de l'existence d'une zone à gradient de pression défavorable, l’action retardatrice des forces de viscosité renforcée par celle des forces de pression peut, suivant leur intensité, équilibrer celle des forces motrices d'inertie. On atteint alors le point de séparation de la couche limite au delà duquel les particules fluides s'écartent de la paroi: c'est le décollement.   
 
image1


Le point de décollement est caractérisé par une condition de frottement pariétal nul.

equation2

N.B : Le décollement est le lieu de plusieurs instabilités hydrodynamiques dépendant du nombre de Reynolds de l'écoulement.


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Décollement et décrochage

    

    En aéronautique, le décrochage de l'aile est la perte plus ou moins brusque de portance, provoquée par le décollement de l'écoulement à l'extrados de l'aile. Le décrochage n'est conditionné que par l'angle d'attaque. L'angle d'attaque varie selon la vitesse et le facteur de charge que subit l'avion. On peut donc atteindre l'incidence de décrochage à toutes les vitesses que peut avoir l'avion en faisant varier le facteur de charge. La vitesse de décrochage évolue selon la racine carrée du facteur de charge. Lors du décrochage, soit l'avion s'enfonce, soit il effectue une abattée, il pique du nez, ce qui entraîne dans les deux cas une perte d'altitude. Une seule aile peut également décrocher; cela peut conduire à une vrille.

    Cependant, avant d’arriver au stade du décrochage, un décollement de la couche limite s’opère sur l’extrados. Ce décollement s’effectue tout d’abord sur le bord de fuite et ensuite remonte vers le bord d’attaque suivant la vitesse, l’angle d’attaque et le facteur de charge.


image2


Sur le graphique présenté ci-dessus, on peut observer les différents types de décollement et s’intéresser aussi au coefficient de pression qui sera une variable utile pour décrire les phénomènes physiques. En effet, ce coefficient permet de caractériser les coefficients de portance et de traînée ; ces derniers seront utiles pour exploiter les données obtenues lors des simulations numériques.

equation3

   Ce coefficient de pression diminue au niveau de l’extrados lorsque l’angle d’attaque augmente. Néanmoins si l’aile décroche, la valeur du coefficient de pression augmente fortement sur l’extrados.


Remarque 

    Un autre phénomène, dit de ‘zone morte’, peut se produire. A Reynolds modéré, la dynamique du décollement par effet de pression sur un profil peut être altérée par les phénomènes de bulbe laminaire. Le décollement n'obéit plus à un déséquilibre (advection/frottement + pression) mais peut être provoqué ou retardé par l'interaction de cette structure avec l'écoulement pariétal. Cependant, la prédiction et les conséquences du bulbe sont encore méconnues.


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Instabilités

 

   La région décollée est par nature fortement instationnaire. On peut donc la décrire de deux façons différentes: la première est une approche moyennée conduit à la définition d'un point de décollement moyen (frottement pariétal nul en moyenne) ou bien en un point qui correspond au lieu ou l’écoulement reste x% du temps dans le sens de la vitesse. L’instabilité de la zone décollée dépend essentiellement de l’angle d’attaque et du nombre de Reynolds. Citons par exemple l’étude de Y.Hoarau et M.Braza [5] qui travaillèrent sur les instabilités sur un profil NAC0012 en simulation numérique directe.


image3

    Le décollement apparaît au bord de fuite pour Re=5 et remonte sur l'extrados en restant stationnaire jusqu'à Re=70. Une allée de Von Karman apparaît pour Re=800 et la couche cisaillée au point de décollement provoque une instabilité de Kelvin-Helmotz. Ces dernières instabilités sont forcées par le détachement périodique des allées de Von Karman qui font osciller le point d'arrêt amont et donc le point de décollement.. Pour Re=5000 environ, il peut se former un bulbe stationnaire de décollement laminaire suivi par un recollement turbulent de la couche limite, provoquant une brusque chute de la traînée. Pour des Reynolds supérieurs et sur une grande plage, des instabilités de Kelvin-Helmotz apparaissent et la localisation du point de décollement va évoluer du fait du caractère turbulent de l’écoulement.

 

    L’aspect instationnaire sera donc judicieux d’être traité dans l’étude du « contrôle de décollement sur rampe par fente synthétique pulsée »car le phénomène étudié sera pour un écoulement turbulent et pour des Reynolds de l’ordre de 105.

 

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Jet synthétique

 

   Le contrôle actif d’écoulement est l´un des domaines les plus actifs en aérodynamique appliquée. Les intérêts sont à la fois pratiques et fondamentaux. Parmi tous les actionneurs disponibles pour le contrôle d’écoulements, les jets synthétiques ont démontré leur efficacité pour augmenter le mélange et contrôler les décollements. L’avantage principal des jets synthétiques par rapport à un soufflage ou une aspiration continue est qu’ils procurent quasiment les mêmes améliorations de performance pour des débits de quantité de mouvement nuls. Mais à ceci s’ajoute une autre raison. Le jet synthétique permet d’obtenir une solution instationnaire à l’inverse du soufflage et de l’aspiration. Cette différence permet l’efficacité du contrôle par couplage avec les fréquences naturelles des détachements tourbillonnaires. Au final les effets recherchés sont :

    Le jet synthétique est encastré dans la paroi où le contrôle du décollement de la couche limite est souhaité. Les deux phases de soufflage et d’aspiration contribuent efficacement au contrôle. De plus, ils ne nécessitent pas de réseaux de conduites complexes car l’expulsion de quantité de mouvement est seulement due au mouvement périodique du diaphragme ou du piston au fond d’une cavité.
   Pour étudier l’efficacité de cet actionneur, différents paramètres clefs doivent être analysés : la fréquence et l’amplitude de l’excitation, l’évolution temporelle de la vitesse du jet, la taille et la position de l’actionneur.
    Dans le projet ‘Contrôle de décollement sur rampe par fente synthétique pulsée’, l’actionneur ne sera pas modélisé ainsi que la cavité permettant de stocker l’air lors de l’aspiration. Il sera simplifié par une paroi avec de conditions aux limites.


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