Étude et modélisation du phénomène de croissance transitoire et de son lien avec la transition Bypass au sein des couches limites tridimensionnelles

Other literature type English OPEN
Lucas, Jean-Michel (2014)
  • Subject: Couche limite | Transition laminaire/turbulent | Croissance transitoire | Transition Bypass | Stries | Modes de Klebanoff | Tourbillons de Görtler | Instabilités transversales | 532 | Boundary layer | Laminar/turbulent transition | Transient growth | Bypass transition | Streaks | Klebanoff modes | Görtler vortices | Crossflow vortices

The transition from a laminar to a turbulent flow strongly modifies the boundary layer properties. Understanding the mechanisms leading to transition is crucial to reliably predict aerodynamic performances. For boundary layers subjected to high levels of external disturbances, the natural transition due to the amplification of the least stable mode is replaced by an early transition, called Bypass transition. This is the result of non-normal mode interactions that lead to a phenomenon of transient growth of disturbances. These disturbances are known as Klebanoff modes and take the form of streamwise velocity streaks. This thesis aims at understanding this linear mechanism of transient growth and quantifying its influence on the classical modal amplification of disturbances. This is done by computing the so-called optimal perturbations, i.e. the initial disturbances that undergo maximum amplification in the boundary layer. These optimal perturbations are first determined for two-dimensional compressible boundary layers developing over curved surfaces. In particular, we show that Klebanoff modes naturally evolve towards Görtler vortices that occur over concave walls. Three-dimensional boundary layers are then considered. In such configurations, transient growth provides an initial amplitude to crossflow vortices. Finally, applying the tools developed in this thesis to new flow cases such as swept wings provides further understanding of the phenomenon of transient growth for realistic geometries. Le passage du régime laminaire au régime turbulent s’accompagne d’importantes modifications des propriétés physiques de la couche limite. La détermination précise de la transition est donc cruciale dans de nombreux cas pratiques. Lorsque la couche limite se développe dans un environnement extérieur faiblement perturbé, la transition est gouvernée par l’amplification du mode propre le moins stable. Lorsque l’intensité des perturbations extérieures augmente, des interactions multimodales entraînent une amplification transitoire des perturbations. Ce phénomène peut conduire à une transition prématurée, appelée transition Bypass. Les perturbations prennent alors la forme de stries longitudinales de vitesse appelées modes de Klebanoff. L’objectif de cette thèse est d’étudier ce mécanisme linéaire de croissance transitoire et son influence sur l’amplification modale classique des perturbations. Cela passe par la détermination des perturbations les plus amplifiées au sein de la couche limite, appelées perturbations optimales. Ces perturbations optimales sont d’abord calculées pour des couches limites bidimensionnelles et compressibles se développant sur des surfaces courbes. En particulier, on montre que les modes de Klebanoff évoluent vers les tourbillons de Görtler qui se forment sur des parois concaves. Le cas plus général de couches limites tridimensionnelles est ensuite envisagé. Pour de telles configurations, la croissance transitoire fournit une amplitude initiale aux instabilités transversales. Enfin, l’application des outils développés dans cette thèse fournit de nouveaux résultats pour des cas d’écoulements autour de géométries réalistes comme une aile en flèche.
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