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Experimental contribution to the steady and unsteady analysis of the flow behind a bluff body
No full textDe nouvelles connaissances sur les écoulements autour des véhicules automobiles doivent aujourd'hui être apportées pour envisager une amélioration de leurs performances aérodynamiques. Ce travail de thèse repose sur des études expérimentales, réalisées en soufflerie, permettant l'analyse et la compréhension des mécanismes physiques associés aux écoulements décollés tridimensionnels et instationnaires se développant à l'arrière des véhicules automobiles. Il se concentre plus particulièrement sur la géométrie générique du corps de Ahmed permettant de reproduire les écoulements à l'arrière de véhicule de type bicorps (lunette arrière et culot). L'étude compare deux maquettes de géométrie différente dont l'une permet d'obtenir une zone de recirculation tridimensionnelle sur la lunette arrière et l'autre de conserver l'écoulement attaché. L'analyse et la comparaison des topologies moyennes des écoulements permettent d'évaluer les interactions entre la recirculation 3D et les autres structures en présence. On montre plus particulièrement que l'absence du décollement sur la lunette arrière modifie la topologie de l'écoulement à l'arrière du culot avec une réduction de traînée de l'ordre de 10%. Les résultats montrent que les effets de la recirculation ne sont pas assez importants pour modifier la position des structures tourbillonnaires longitudinales se développant sur les arêtes latérales de la lunette, mais modifient légèrement leur intensité. L'analyse spectrale des fluctuations de vitesse et de pression indique que la recirculation est le siège d'activités instationnaires pseudopériodiques. La Décomposition Orthogonale Propre des champs de vitesse et de pression montre finalement que ces activités sont associées à un mécanisme de battement de la recirculation passant d'une configuration décollée à une configuration attachée et à une émission de structures tourbillonnaires formées par la couche cisaillée de la recirculation.More and more knowledge related to flows behind road vehicles must be provided to improve their aerodynamic performances. This PhD thesis deals with experimental studies carried out in a wind tunnel, and enables analysis and understanding of physical mechanisms related to three-dimensionnal and unsteady separated flows that develop behind road vehicles. More specifically, it focuses on the generic model of Ahmed body that recreates flows behind common fastback cars (rear window and rear part). This study compares two models with different shape, the first one having a sharped edge between the roof and the rear window enabling the development of a separated region, and the second one having a rounded edge preventing separation. Analysis and understanding of the time averaged topology of both flow configurations are performed to characterize interactions between the three-dimensionnal separation and the other structures. More specifically, it is observed that suppressing separated region over the rear window changes the flow topology behind the rear base with a drag reduction of approximately 10%. Results show that the influence of the separated region is not strong enough to modify the location of the longitudinal vortical structures, which develop at each side of the model, but is strong enough to slightly modify their intensity. Spectral analysis of the velocity and pressure fluctuations indicates that the separated region is characterized by pseudo-periodic unsteady activities. Proper Orthogonal Decomposition of instantaneous velocity and pressure fields shows that these activities are respectively related to a flapping mechanism of the separated zone moving between a shrinked state and an enlarged state, and a large scale vortices emmission resulting from the shear layer of the separated region
Experimental investigation of aerodynamic loads modification on wind turbine blades with active flow control
No full textL’énergie éolienne est une source d’énergie propre et renouvelable qui fait partie des moyens pour réduire les émissions de gaz à effet de serre et contrer le réchauffement climatique dans le domaine de la production électrique.L’objectif de la thèse est d’optimiser la production d’énergie éolienne par la réduction des fluctuations de charge induites par la turbulence de la couche limite atmosphérique. Ces fluctuations augmentent la fatigue des pales et réduisent la durée de vie des rotors.Cette réduction des fluctuations de charge est réalisée par le biais d’une approche expérimentale et à l’échelle du laboratoire. Deux actionneurs non conventionnels sont étudiés et testés au sein d’un écoulement contrôlé ensoufflerie: il s’agit d’actionneurs plasma et de jets fluidiques. L’objectif est d’effectuer un contrôle de circulation par une action proche du bord de fuite arrondi de la pale afin de modifier la portance du profil.Dans le cadre du projet SMARTEOLE, les deux stratégies sont d’abord testées en parallèle sur un profil bidimensionnel. Pour cette thèse, les actionneurs plasma sont implémentés autour du bord de fuite arrondi afin d’augmenter ou de réduire la portance. Les performances aérodynamiques ont été modifiées dans la partie linéaire de la courbe de portance. Pour des raisons d’efficacité et de fiabilité, le projet est poursuivi avec des jets fluidiques pour aller vers l’étude des pales et du contrôle d’écoulement en rotation. Ces pales sont préalablement testées dans une configuration translationnelle pour évaluer l’effet du contrôle sans les effets de la rotation. Finalement,les pales sont montées sur le banc éolien du laboratoire. Les effets du contrôle sont mis en évidence par les mesures de pression pariétale et de moment de flexion en pied de pale. Le contrôle induit des réductions importantes de fatigue qui motivent la poursuite des travaux dans le domaine du contrôle d’écoulement appliqué aux pales d’éolienne.Wind energy is a clean and renewable source of energy that remains one of the solutions to cut carbon emissions and curb global warming in the field of power generation. The present thesis objective is the optimisation of wind energy production by the all eviation of blade load fluctuations induced by shear and turbulence in the atmospheric boundary layer. These fluctuations increase the blade fatigue and reduce the life duration of the rotors.This load fluctuation all eviation is assessed with an experimental approach and at a laboratory scale. Two not conventional flow control strategies, plasma actuators and fluidic jets, are implemented and tested in the controlled environment of a wind-tunnel to perform a circulation control by acting in the vicinity of the rounded trailing-edge of the blade in order to modify its lift force.In the scope of the SMARTEOLE project, both plasma and fluidic strategies are, as a first step, tested in parallel on a 2D-airfoil. For this thesis, plasma actuators are implemented over the airfoil trailing-edge to increase ordecrease the lift force. Airfoil performances are indeed modified in the linear part of the lift curve. For efficiency and reliability reasons, it is chosen to pursue the work towards the rotational configuration with the fluidic strategy. Blades are then manufactured and tested first in a translational configuration to evaluate the potentialof the fluidic actuation without rotational effects. Then, blades are mounted in the wind turbine bench of the laboratory. The effects of the actuation are demonstrated through surface pressure and flapwise bending moment measurements. Actuation shows important fatigue reduction motivating the pursue of the investigations on active flow control applied to wind turbine blades
Theoretical, experimental and numerical study of the cooling airflow and its effects on the aerodynamics of road vehicles
No full textL’écoulement de refroidissement, qui pénètre par les entrées d’air sous le capot des véhicules automobiles,est étudié à partir de trois approches complémentaires : les approches théorique, expérimentale et numérique. Ces trois approches s’appuient sur une maquette simplifiée à culot droit basée sur le corps de Ahmed et équipée d’un compartiment moteur. Les mesures expérimentales montrent que placer la sortie du compartiment moteur au culot de la maquette est plus favorable à une faible traînée de refroidissement qu’une sortie placée au niveau du soubassement. La contribution de la traînée de refroidissement dans la traînée totale peut ainsi varier de 2% à 24%. Les simulations numériques donnent elles accès au débit de refroidissement. Pour les configurations étudiées, les sorties au culot sont là encore les plus favorables puisqu’elles fournissent les débits les plus importants à travers le milieu poreux modélisant un échangeur aérothermique. Par ailleurs, la mise en place d’étanchéités de part et d’autre de l’échangeur améliore significativement le débit de refroidissement où une augmentation d’environ 45% est obtenue. La mise en place d’un modèle analytique permet de relier la traînée et le débit de refroidissement à partir d’une analogie entre les circuits électriques et les écoulements fluides. Il est alors possible de prévoir le sens d’évolution du débit de refroidissement, donc de la performance des échangeurs aérothermiques, à partir d’une modification géométrique interne au compartiment moteur.The cooling airflow, which flows through the underhood of motor vehicles from the inlet sections, is studied by means of three complementary approaches: the theoretical, experimental and numerical approaches. The three approaches use a simplified geometry with a blunt rear end, based on the Ahmed body, and equipped with an engine compartment. The experimental measurements show that locating the outlet section of the engine compartment at the base of the geometry favors low cooling drag values compared to an outlet section located in the underbody. The variation of the cooling drag contribution in the total drag is between2% and 24%, as a function of the location of the outlet. As for the numerical simulations, they provide the cooling flow rates. For the studied configurations, rear end outlets are again the most favorable since they provide the highest flow rates through the porous media that simulates a heat exchanger. Besides, the implementation of sealing above and below the porous media significantly increases the cooling flow rate by45%. An analytical model, based on the analogy between electrical circuits and fluid flows, connects the aerodynamic drag with the cooling flow rate. It is then possible to predict the evolution trend of the cooling flow rate, hence the heat exchangers efficiency, from a geometrical modification inside the engine compartment
“Far-field” torque evaluation of a helicopter rotor in hover : Analysis on results of numerical simulations of fluid mechanics
No full textDans cette thèse, une formulation pour l’extraction du couple « champ lointain » d’un rotor d’hélicoptère en vol stationnaire est présentée. Cette formulation est dérivée de la méthode d’extraction de la traînée « champ lointain » d’un avion, basée sur les travaux de van der Vooren et Destarac [?, ?, ?]. Un outil développé à l’Onera à partir de cette théorie permet de donner une analyse complète de la traînée aérodynamique d’un avion. Il est basé sur l’analyse physique et locale de l’écoulement calculé autour de l’aéronef, et décompose la traînée totale, aussi appelée traînée mécanique, en composantes physiques. Ces composantes physiques peuvent être définies comme suit : 1) la traînée d’onde, 2) la traînée visqueuse, 3) la traînée induite. L’adaptation de la méthode d’extraction de la traînée d’un avion à un rotor en vol stationnaire nécessite l’utilisation du couple rotor à la place de la traînée de l’avion, ce qui donne la décomposition suivante : 1) le couple d’onde, 2) le couple visqueux, 3) le couple induit. Les simulations de rotor diffèrent de celles de l’avion dans la mesure où les équations d’Euler (ou RANS) ne sont pas écrites dans le même repère de référence : les simulations d’avion utilisent généralement une formulation en vitesse relative tandis que les simulations d’un rotor d’hélicoptère utilisent la vitesse absolue projetée dans le repère relatif. Cette différence conduit à deux formulations différentes des équations de l’écoulement, et nécessairement deux formulations différentes de l’extraction de la traînée ou du couple. Ce changement de repère implique aussi des changements dans les quantités thermodynamiques utilisées, en particulier l’utilisation de la rothalpie à la place de l’enthalpie d’arrêt pour déterminer le couple dû aux phénomènes irréversibles. Une application de cette méthode est présentée sur un rotor quadripale créé pour cette étude et montre comment cette nouvelle approche peut améliorer la précision de l’extraction des performances d’un rotor à partir de résultat issu de la simulation numérique.In this thesis, a formulation for “far-field” torque extraction in the case of a hovering rotor is presented. This formulation is derived from an aircraft “far-field” drag extraction method, based on van der Vooren and Destarac’s works [?, ?, ?]. A tool was previously developed at Onera to give an aerodynamic comprehensive analysis of aircraft drag, based on physical and local analysis of the computed flow field surrounding the aircraft. It decomposes the total drag, also called mechanical drag, into its physical components. These physical components can be defined as : 1) wave drag, 2) viscous drag, 3) induced drag. The adaptation of the method to a rotor in hover leads to consider rotor torque instead of aircraft drag, which gives the following decomposition : 1) wave torque, 2) viscous torque, 3) induced torque. Rotor simulations differ from aircraft ones inasmuch as the Euler (or RANS) equations are not written in the same reference frame : aircraft simulations use the relative velocity formulation while rotor simulations use the absolute velocity projected in the relative frame. This difference leads to two different formulations of the flow equations, and necessarily two different formulations of the drag or torque extraction. This change of reference frame also implies some changes in the thermodynamical quantities used, in particular the use of the rothalpy instead of the stagnation enthalpy to determine the torque due to irreversible phenomena. An application of this method is described on a four-bladed rotor created for this study and shows how this method can improve rotor performance extraction from numerical simulations
Experimental study of the far wake of horizontal axis wind turbines using a simplified model in atmospheric boundary layer
No full textL’objet de ce travail de thèse est l’étude en soufflerie du sillage lointain des éoliennes à axe horizontal. La complexité phénoménologique du sillage des éoliennes fait que les mécanismes le régissant sont généralement traités d’un point de vue stationnaire : les principaux paramètres (déficit de vitesse, production de turbulence...) sont alors moyennés dans le temps. Néanmoins, considérer les instationnarités du sillage d’une éolienne placée en écoulement atmosphérique permet d’observer un phénomène appelé meandering, traduisant un battement aléatoire du sillage. Ce travail est construit en deux grandes parties : la vision stationnaire et la vision instationnaire du sillage d’un modèle simplifié d’éolienne, basé sur le principe du disque de Froude, placé dans une couche limite atmosphérique (CLA) modélisée en soufflerie à l’échelle 1/400. La première partie est composée de plusieurs études paramétriques sur l’influence du point de fonctionnement d’une éolienne, sur sa hauteur de mât ou encore sur le type de CLA. Une éolienne en situation de dérapage fait également l’objet d’études paramétriques. Celles-ci visent à étudier le comportement du sillage dans différentes situations et il est alors montré les limites des lois empiriques présentes dans la littérature, concernant notamment l’influence de la turbulence ambiante. La seconde partie se focalise sur la vision instationnaire, jusqu’ici rarement considérée. En utilisant l’anémométrie par fil chaud, les résultats montrent le rôle des grandes échelles de la turbulence atmosphérique sur l’apparition du meandering. L’amplitude du battement et les dimensions du sillage instantané sont ensuite appréhendées de façon quantitative par mesures PIV, montrant l’influence du point de fonctionnement de l’éolienne et de l’intensité de turbulence ambiante.The aim of this work was to study the far wake of horizontal axis wind turbines in wind tunnels. Aerodynamic phenomena within the wakes are very complex and, most of the time, they are studied from a steady point of view : the main parameters (wake deficit, production of turbulence...) are therefore time averaged. Nevertheless, studying the wake unsteadiness of a wind turbine located in the atmospheric boundary layer (ABL) enables the consideration of the meandering phenomenon, which describes random oscillations of the wake. The present work was constructed in two main parts : firstly the steady vision and secondly the unsteady vision of a wind turbine wake, modelled according to the actuator disk theory and placed in an ABL reproduced in a wind tunnel at a geometric scale of 1/400. Several parametric studies are presented in the first part : on the influence of the wind turbine’s operating point, of its mast height and also on the influence of the ABL characteristics. Wind turbines in yaw are also considered. The wake behaviour is then studied in different configurations and the limits of the empirical laws in the literature are highlighted, especially the lack of the ambiant turbulence intensity consideration. The second part focuses on the unsteady point of view, rarely considered until today. Using hot wire anemometry, the role of the atmospheric large turbulent scales on the meandering phenomenon is proven. The oscillation magnitude and the instantaneous wake dimensions are also investigated using PIV, which leads to quantitative results on the meandering characteristics
Rapport I.10 Modélisation et analyse stationnaires et instationnaires bidimensionnelles de l’écoulement dans des pompes radiales
No full textThe object of the here presented work is to study the effects of the geometrical and functionning parameters in a centrifugal, pump for nominal rate, and to modelise its unstationnary behaviour. We use a two-dimensionnal model and an aerodynamic type approach, with an inviscid fluid computation, eventually coupled with a boundary layer computation.
We have successively studied, an isolated rotor, in the stationnary and unstationnary cases. In the stationnary case, the computation has been coupled with a boudary layer code. In the unstationnary case, we have next included the rotor in a circuit, to compute the unstationnary functioning of a complete installation including a pump.
We have at last nodelised a whole pump, (rotor, stator and volute) using a quasi-stationnary model, which allows to take in account the interactions betwween these elements.L'objectif des travaux présentés ici est d'étudier les effets des paramètres géométriques et de fonctionnement dans une pompe au régime nominal, et de modéliser les transitoires. Le modèle mis en oeuvre est un modèle bidimensionnel et l'approche utilisée, de type aérodynamique, faisant intervenir un calcul de fluide parfait éventuellement complété par un couplage avec un calcul de couche limite. On a ainsi successivement abordé l'étude d'un rouet isolé dans les cas stationnaires et instationnaires ; le modèle instationnaire dans lequel on a libéré les lois de débit et de vitesse, a été inclus dans un circuit afin d'aborder les fonctionnements transitoires et périodiquement variables d'une installation complète. On a enfin modélisé un étage complet de pompe (roue, diffuseur, volute) à l'aide d'un modèle quasi-stationnaire, ce qui permet de mettre en évidence les interactions entre ces éléments.Devinant Philippe, Bouët Thierry, Mudry M. Rapport I.10 Modélisation et analyse stationnaires et instationnaires bidimensionnelles de l’écoulement dans des pompes radiales. In: Machines hydrauliques. Conception et exploitation. Développements récents et Applications aux différents secteurs industriels. Vingtièmes journées de l'hydraulique. Lyon, 4-6 avril 1989. Tome 1, 1989
Développement d'une méthode instationnaire de calcul pour des lignes portantes courbes et en flèche
No full textAprès avoir rappelé les principaux travaux concernant la ligne portante et le traitement numérique des intégrales en partie finie au sens d'Hadamard, nous exposons une formulation implicite de ligne portante stationnaire pour des ailes courbes et en flèche. Nos résultats ont été comparés avec la théorie de Prandtl puis validés par une méthode de surface portante. L'accord obtenu en terme de circulation, même pour des ailes fortement courbées, est probant. Nous proposons une méthode de marche en temps pour la ligne portante instationnaire courbe et en flèche. Sur la base des travaux de Sellier (1991), nous utilisons une décomposition du sillage instationnaire, mêlant doublets surfaciques constants et variant linéairement. Appliquée explicitement pour une mise en incidence impulsive, cette méthode donne des résultats, notamment pour des ailes de forte courbure, qui montrent d'une part une consistance temporelle et d'autre part un accord satisfaisant avec une méthode VLM instationnaire.ORLEANS-BU Sciences (452342104) / SudocSudocFranceF
Etude de méthodes de confinement pour le calcul numérique des écoulements tourbillonnaires en compressible
No full textLes écoulements tourbillonnaires ont un rôle très important en aérodynamique, notamment dans les sillages ou en écoulement turbulent. Bien que ces écoulements soient décrits par les équations de la dynamique des fluides, les schémas numériques ont tendance à diffuser les tourbillons beaucoup trop rapidement, du fait de la dissipation nécessaire à leur stabilité. La méthode de confinement tourbillonnaire introduite par Steinhoff en écoulement incompressible permet de pallier efficacement cette difficulté. Elle consiste essentiellement en l ajout d un terme source dans l équation de quantité de mouvement, qui est la combinaison d un terme diffusif et d un terme anti-diffusif. Les deux schémas de confinement tourbillonnaires proposés par Steinhoff sont analysés en détails pour un écoulement compressible, en essayant de leur donner un fondement solide vis-à-vis des équations originales. L idée sous-jacente est de relier le terme de confinement à la dissipation numérique de la discrétisation. Le premier schéma est singulier au centre du tourbillon, ce qui introduit une dégradation de la solution, notamment pour les champs de pression et de densité. Le second schéma a de meilleures propriétés numériques lui permettant de conserver les tourbillons très correctement. Enfin, la méthode de confinement doit être appliquée de la même façon en compressible et en incompressible, aucun terme source supplémentaire n étant nécessaire dans l équation de continuité et l équation de l énergie.ORLEANS-BU Sciences (452342104) / SudocSudocFranceF
Etude théorique, expérimentale et numérique de l'écoulement de refroidissement et de ses effets sur l'aérodynamique automobile
No full textL écoulement de refroidissement, qui pénètre par les entrées d air sous le capot des véhicules automobiles,est étudié à partir de trois approches complémentaires : les approches théorique, expérimentale et numérique. Ces trois approches s appuient sur une maquette simplifiée à culot droit basée sur le corps de Ahmed et équipée d un compartiment moteur. Les mesures expérimentales montrent que placer la sortie du compartiment moteur au culot de la maquette est plus favorable à une faible traînée de refroidissement qu une sortie placée au niveau du soubassement. La contribution de la traînée de refroidissement dans la traînée totale peut ainsi varier de 2% à 24%. Les simulations numériques donnent elles accès au débit de refroidissement. Pour les configurations étudiées, les sorties au culot sont là encore les plus favorables puisqu elles fournissent les débits les plus importants à travers le milieu poreux modélisant un échangeur aérothermique. Par ailleurs, la mise en place d étanchéités de part et d autre de l échangeur améliore significativement le débit de refroidissement où une augmentation d environ 45% est obtenue. La mise en place d un modèle analytique permet de relier la traînée et le débit de refroidissement à partir d une analogie entre les circuits électriques et les écoulements fluides. Il est alors possible de prévoir le sens d évolution du débit de refroidissement, donc de la performance des échangeurs aérothermiques, à partir d une modification géométrique interne au compartiment moteur.The cooling airflow, which flows through the underhood of motor vehicles from the inlet sections, is studied by means of three complementary approaches: the theoretical, experimental and numerical approaches. The three approaches use a simplified geometry with a blunt rear end, based on the Ahmed body, and equipped with an engine compartment. The experimental measurements show that locating the outlet section of the engine compartment at the base of the geometry favors low cooling drag values compared to an outlet section located in the underbody. The variation of the cooling drag contribution in the total drag is between2% and 24%, as a function of the location of the outlet. As for the numerical simulations, they provide the cooling flow rates. For the studied configurations, rear end outlets are again the most favorable since they provide the highest flow rates through the porous media that simulates a heat exchanger. Besides, the implementation of sealing above and below the porous media significantly increases the cooling flow rate by45%. An analytical model, based on the analogy between electrical circuits and fluid flows, connects the aerodynamic drag with the cooling flow rate. It is then possible to predict the evolution trend of the cooling flow rate, hence the heat exchangers efficiency, from a geometrical modification inside the engine compartment.ORLEANS-SCD-Bib. electronique (452349901) / SudocSudocFranceF
Développement de méthodologies à coût modéré pour la simulation aérodynamique des open rotors
No full textThis study is devoted to the development of moderate-cost methodologies for the aerodynamic simulation of open rotors. The main goals are, on one side, to develop and validate these rapid methodologies, and, on the other side, to better understand the mechanisms behind propeller in-plane loads, also called the 1P loads. To reach the first goal, the HOST-MINT code, based on the lifting-line theory, has been adapted and improved for the unsteady simulation of propellers and open rotors. The code has been assessed by comparison with experimental data and more complex and precise CFD simulations. Finally, the first developments and tests of a Lagrangian/Eulerian coupling strategy between HOST-MINT and the elsA CFD code have been performed. These studies enable to endeavor a number of applications of this type of rapid methodologies in the aerodynamic design of future open rotors. Moreover, these methodologies may be adapted for other domains linked to aerodynamics, such as aeroelastic problems or preliminary aeroacoustic predictions.Cette étude s'inscrit dans le domaine des moteurs à doublets d'hélices contrarotatives, aussi appelés open rotors. Elle a porté sur le développement des méthodologies à coût modéré pour la simulation aérodynamique des open rotors. Elle avait pour objectif, d'un côté, la mise en place et la validation de ces méthodologies rapides ; et d'un autre côté, l'approfondissement de la compréhension de l'origine des efforts dans le plan hélice, aussi appelés les efforts 1P. Pour le premier des objectifs, le code HOST-MINT, basé sur la méthode de la ligne portante a été adapté et amélioré pour la simulation de l'aérodynamique instationnaire des hélices et des open rotors. Des validations ont été réalisées avec succès par comparaison avec des données expérimentales et des simulations CFD plus avancées. Cette étude a ainsi ouvert des nombreuses perspectives d'application de ce type de méthodologies rapides dans la conception aérodynamique des futurs open rotors. En outre, cette méthode s'est révélée aussi adaptée pour d'autres domaines autour de l'aérodynamique, comme par exemple, pour les problèmes d'aéroélasticité ou pour les prédictions aéroacoustiques préliminaires
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