1 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier 2012

Romain PAINDoctorant 2ème année

DAAP/MHL

Encadrant ONERA: Pierre-Elie Weiss

Directeur de thèse: Sébastien Deck

Bourse: Cofinancement CNES / ONERA

Simulation numérique de dispositifs de contrôle du buffeting culot et de l’ovalisation de la tuyère sur

des configurations de lanceur

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Contexte de l’étude

Ariane 5 au décollage [2].

[1] Östlund et al, Applied MechanicsReviews, May 2005.

[2] Ariane 5 au décollage – Site internetONERA.fr, 2010.

Zone d’arrière-corps : écoulement fortement turbulent et

caractérisé par des décollements massifs.

>> La dynamique du champ de pression fluctuante est

pilotée par des modes azimutaux (m=1,…,n).

Simulation numérique d’arrière-corps

de type lanceur.

m=1 mode ‘Buffeting’

antisymétrique –

charges latérales

m=2 mode ‘Ovalisation

tuyère’ – symétrique –

Ovalisation de la tuyère

Modes de vibrations de la tuyère – a) Mode

pendule b) mode d’ovalisation. Issu de [1].

b)

a)

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Objectifs scientifiques

• Comprendre l’organisation du champ de pression

• Proposer des systèmes de contrôle de l’ovalisation de tuyère (mode m=2) au moment du décollage.

m=1 mode ‘Buffeting’

antisymétrique –

charges latérales

m=2 mode ‘Ovalisation

tuyère’ – symétrique –

Ovalisation de la tuyère

b)

a)

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Synthèse bibliographique

Fréquences caractéristiques de l’écoulement

‘Kelvin-Helmholtz’ Formation des instabilités de Kelvin-Helmholtz

‘Flapping’ Battement de la couche de mélange

‘Impact of coherent structures’ Impact de la couche de mélange sur la paroi de l’émergence

‘Vortex Shedding’ Lâcher tourbillonnaire U

fDStD

Nombre de Strouhal :

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Plan de travail

I. Étude bibliographique• Écoulement décollés recollés.• Recensement des fréquences caractéristiques (associées aux modes 1 et 2).

II. Analyse physique de la dynamique de l’écoulement• Identification des mécanismes physiques à l’origine du mode m=2.• Évaluation / choix / développement d’outils de post-traitement pour analyser / quantifier l’effet de

chaque mode sur la dynamique de l’écoulement.

III. Identification des zones de réceptivité potentielle pour le contrôle du mode m=2• Étude des modes dynamiques (Collaboration: J. C. Robinet – SINUMEF).• Analyse spectrale approfondie (spectres, corrélations 1 et 2 points).

IV. Contrôle du mode m=2• Définition et mise en œuvre d’une méthode de contrôle orientée par les observations de la partie II.

V. Estimation des effets du contrôle• Évaluation / choix / développement d’outils de post-traitement pour analyser l’effet du contrôle sur la

dynamique de l’écoulement.

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Avancement des travaux (1/6)

Géométrie simplifiée de type Ariane 5:• Maillage structuré - 32 Millions de points: 240 points dans

la direction azimutale• Méthode de simulation: Hybride URANS/LES (ZDES) [3]• Temps d’acquisition signal: 200 ms (stockage des

volumes autour de l’émergence du cylindre central)• •

Configuration tri-corps type Ariane 5 et plans de

coupe du maillage.Plans, points (ci-dessus) et volumes

(ci-dessous) échantillonnés au cours du calcul.

702.0M

6102.1Re D

[3] Deck, Theoretical Computational Fluid Dynamics, in press, 2011.

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Analyse du champ statistique (1/2)

• Organisation « bi-lobes » des coefficients de pression pariétale moyenne.

• Organisation « quadri-lobes » des coefficients de pression pariétale RMS.

Avancement des travaux (2/6)

Cp. Cprms.

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Avancement des travaux (3/6)

Analyse du champ statistique (2/2)

• Recollement solide sur émergence dans le plan (NB) – Recollement solide sur les cylindres latéraux dans le plan (B).

• Longueur de recollement (Lr) réduite de 26 % dans plan (NB) du cas tri-corps par rapport au cas axisymétrique.

Cas axisymétrique – Cp et Cprms issu de [4]. Cas tri-corps – Cp et Cprms dans les deux

plans de symétrie: (haut) plan (B) et (bas) plan (NB).[4] Weiss et al, Phys. Fluids, 2009.

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Avancement des travaux (4/6)

Analyse du champ instantané (1/2)

• Départ des instabilités de type Kelvin-Helmholtz au niveau du point de décollement.

• Structures cohérentes 2D de la couche de mélange rapidement tridimensionnalisées.

Cas tri-cops - Isosurfaces de critère Q

adimensionné et strioscopie numérique dans les plans

(NB) (haut) et (B) (bas).

6

Capteur 6 Capteur 5

5

03

Capteur 0 Capteur 3

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Avancement des travaux (5/6)

Analyse du champ instantané (2/2)

• Cas d’arrière-corps axisymétrique: localisation des contributions énergétiques fortes pour quatre fréquences caractéristiques principales.

Cas axisymétrique - Isosurfaces correspondant à 60 % de

la valeur maximale de fG(f)/Pdyn² pour quatre fréquences caractéristiques.

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Avancement des travaux (6/6)

Cas avec contrôle fluidique

• L’organisation globale de la pression moyenne et RMS persiste malgré les jets fluidiques continus au niveau du culot.

Cp dans les plans (NB) et (B) et à la paroi. Cprms dans les plans (NB) et (B) et à la paroi.

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Synthèse

• Une nette influence des cylindres latéraux apparaît avec la modification de: La direction et la longueur moyenne de recollement (Lr).

L’organisation des Cp et Cprms pariétaux.

• L’organisation des Cp et Cprms ne semble pas être affectée par le dispositif de contrôle appliqué.

• L’étude du champ instantané a été initiée sur la première partie du signal d’acquisition.

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Publications/Communications congrès – Formation doctorale

Publication(s) prévue(s):• AIAA Journal (Rédaction en cours).• Physics Of Fluids (Rédaction en cours).

Participation à un congrès prévue:• ETMM9 (ERCOFTAC), 6-8 Juin 2012, Thessaloniki, Grèce (Abstract

soumis).

Formation doctorale:• Mécanique des fluides: Simulation des écoulements turbulents, Mars

2011, Collège de X, Paris (75).• Formation calcul parallèle MPI (Formation Interne ONERA), Octobre 2011,

ONERA Chatillon (92).• Separated Flows (Master Mécanique des Fluides UPMC – ENSAM –

ENSTA - Ecole Polytechnique), Décembre 2011 – Janvier 2012, Ecole Polytechnique Palaiseau (92).

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Annexe

Cas axisymétrique

- Contours et Isosurfaces

de fG(f)/σ² pour quatre

fréquences caractéristiques.