Experimental study on turbulent boundary-layers over arrays of circular cavities

Etude expérimentale de la couche limite turbulente sur des cavités circulaires Les parois perforées comme moyen potentiel de réduire le frottement turbulent a été un sujet d'intérêt dans la dernière décennie.Bien que plusieurs études aient démontré les propriétés de réduction du frottement d'une paroi perforée, une caractérisation détaillée de la topologie de l'écoulement ainsi que la modification de l'activité turbulente ne sont pas présentes dans la littérature. De plus, plusieurs désaccords persistent sur les mécanismes possibles impliqués dans la réduction du frottement.Une étude expérimentale a été menée pour étudier les modifications de la couche limite en présence d'un réseau de cavités. Les techniques utilisées sont l'anémométrie à fil chaud et la vélocimétrie par image de particules. Une caractérisation détaillée des statistiques de l'écoulement, de l'activité turbulente près de la paroi ainsi que des structures à grande échelle est fournie pour le cas de base d'une plaque plate lisse. Les résultats, comparés à des références récentes de simulation numérique directe, apportent une confiance dans la qualité de l'installation. L'analyse des zones de momentum uniforme fournit des preuves qu'une disposition hiérarchique des vortex en épingle à cheveux est réalisable même aux nombres de Reynolds modérés des études actuelles.Les résultats obtenus sur la paroi perforée confirment la possibilité de réduire le frottement de peau avec des cavités circulaires jusqu'à 20%. Le frottement a été évalué en utilisant la technique du diagramme de Clauser et les résultats ont été confirmés par un ajustement linéaire dans la sous-couche visqueuse.Plusieurs configurations ont été testées, le paramètre qui gouverne la modification de la couche limite turbulente est le ratio de surface ouverte, défini comme le rapport entre la surface perforée et la surface non perforée. Une influence négligeable de l'alignement, de la hauteur et du nombre de Reynolds de la cavité a été trouvée. Les statistiques sont assez uniformes dans le sens de l'envergure.Les statistiques jusqu'au troisième ordre, ainsi que l'activité turbulente, sont modifiées par les cavités. Les résultats montrent des similitudes frappantes avec une couche limite turbulente avec un soufflage uniforme, qui est connu pour réduire le frottement de peau.Au moins pour le ratio de surface ouverte le plus élevé, les cavités favorisent la formation d'un pic externe dans l'intensité de la turbulence, comme cela se produit pour un nombre de Reynolds très élevé. La distribution spectrale 2D montre un comportement de "bi-bosse". Le pic interne du spectre est déplacé vers des longueurs d'onde plus faibles, ce qui suggère que les stries sont raccourcies par les cavités, le pic externe peut être associé à la formation de rouleaux allongés quasi-sensoriels dans la région externe de la couche limite.Ces structures peuvent être liées à une diminution de la vitesse modale de la première zone de momentum uniforme.La contribution de la pression à la traînée totale, due à l'impact de la couche limite sur le coin aval de la cavité, est évaluée à partir de simulations LES. Une augmentation de la traînée de pression avec le nombre de Reynolds peut être mise en évidence. La traînée de pression réduit l'avantage du frottement de peau, mais il est démontré qu'une réduction de la traînée totale jusqu'à 6 % peut être obtenue.