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Objet

Le contrôle des écoulements autour de profils dans le but d'obtenir des performances aérodynamiques idéales est un des domaines les plus prisés de l'aérodynamique. Des Simulations des Grandes Echelles sont effectuées pour un écoulement autour d'un cylindre circulaire en deux dimensions à un nombre de Reynolds de 2000. Deux moyens de contrôle sont successivement appliqués : un contrôle par rotation (utilisation de l'effet Magnus) puis un contrôle par aspiration de la couche limite à la paroi du cylindre. L'évolution des coefficients aérodynamiques (traînée et portance) est particulièrement étudiée.

Description

Nos résultats ont été obtenus à partir d'un code de Simulation des Grandes Echelles développé au laboratoire, qui résout les équations de Navier-Stokes écrites en formulation vitesse-tourbillon et filtrées spatialement [1]. Seules les grosses structures de l'écoulement sont résolues sur le maillage. L'influence des petites structures non calculées, responsables de la dissipation, est prise en compte par l'intermédiaire d'un modèle de viscosité de sous-maille. Le modèle utilisé est le modèle dit d'échelles mixtes (LIMSI) qui tient compte de plusieurs niveaux d'échelles [2]. L'influence des deux méthodes de contrôle utilisées a été étudiée et analysée. L'importance de la position et de la zone d'aspiration de la couche limite a été également mise en évidence.

Résultats et perspectives

Dans le cas d'un écoulement sans contrôle autour d'un cylindre, au nombre de Reynolds étudié, Re=2000, les allées de von Karman ne restent plus dans l'axe de symétrie de l'écoulement, mais elles oscillent de façon périodique autour de celui-ci (fig. 1). Ceci correspond à l'apparition d'une seconde fréquence caractéristique (environ neuf fois plus petite que la fréquence de lâcher des tourbillons), observable sur les évolutions temporelles des coefficients aérodynamiques comme le coefficient de portance C_L (fig. 2). La figure 3 montre que la rotation du cylindre est un moyen de contrôle efficace, dans la mesure où elle entraine une grande modification des coefficients aérodynamiques. La portance augmente en effet rapidement en fonction de la vitesse de rotation du cylindre. Ce moyen de contrôle semble même très intéressant d'un point de vue purement aérodynamique puisqu'il permet de diminuer nettement la traînée, force néfaste due à l'action du fluide sur le cylindre, et même de la rendre totalement bénéfique dans certains cas (négative). Cependant, ce phénomène se produit pour des vitesses de rotation très importantes (de l'ordre de 3 fois la vitesse à l'infini), ce qui est peu concevable techniquement. Le contrôle par aspiration de la couche limite, introduit par le professeur Malavard sur sa Turbovoile, a été alors étudié. L'influence de la position de l'aspiration sur les performances obtenues est analysée. Comme le montre la figure 4, il apparaît indispensable que l'aspiration ait lieu avant le point de décollement, sous peine de n'avoir aucune influence. L'aspiration, si elle a lieu à l'amont du décollement, semble beaucoup plus efficace que la rotation, tant du point de vue aérodynamique que technologique. En effet, pour la création d'une force de portance équivalente, elle induit une force de traînée trois fois moins importante que dans le cas de la rotation, tout en étant beaucoup plus facile à mettre en oeuvre. Des cas plus réalistes vont être étudiés (nombres de Reynolds élevés et calculs 3D) afin de pouvoir juger des différents moyens de contrôle dans des situations industrielles et de comparer ces résultats SGE à des expériences menées au LEA/CEAT de Poitiers à des nombres de Reynolds d'environ 5 x10⁴. Plusieurs techniques de contrôle seront également envisagées simultanément (aspiration et ajout d'un volet par exemple) avec des applications à des géométries de type profil épais comme la turbovoile.

Références

[1] Lardat R., thèse de Doctorat de l'UPMC, Paris VI, juillet 1997.
[2] Ta Phuoc L.~: "Modèles de sous-maille appliqués aux écoulements instationnaires et décollés", Journée Thématique DRET, Paris, 1994.

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