An Experimental Investigation of the Effects of Surface Defects on the Laminar-Turbulent Transition of a Boundary Layer with Wall Suction

Autor: Methel, Jeanne
Přispěvatelé: ONERA / DMPE, Université de Toulouse [Toulouse], ONERA-PRES Université de Toulouse, Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace (ISAE-SUPAERO), Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace (ISAE-SUPAERO) Université de Toulouse, Grégoire Casalis, Maxime Forte, Methel, Jeanne
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2019
Předmět:
Zdroj: Fluids mechanics [physics.class-ph]. Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace (ISAE-SUPAERO) Université de Toulouse, 2019. English
Popis: The projected increase in air traffic volume has led to a renewed interest in drag reduction research to reduce aviation’s environmental impact. One solution is wall suction, which can effectively postpone the laminar-turbulent transition of a boundary layer developing over an aircraft’s wetted area. Since a boundary layer in the laminar regime has lower skin-friction coefficient than in the turbulent regime, a delayed transition results in lower drag and reduced fuel consumption. However, implementing a suction system is likely to introduce surface defects, especially at the junction between the suction and solid panels. Additionally, surface defects generally tend to promote transition, and could therefore cancel any drag reduction achieved by wall suction.The aim for the present research is to study the combined effects of surface defects and wall suction on the transition of a Blasius boundary layer in two-dimensional incompressible flow. First, an experimental protocol was developed and implemented to verify the quality of the aerodynamic conditions in the test facility, and establish a reference for the smooth case with different suction distributions. As expected, wall suction always delayed transition, compared to the configuration without suction, and had varying effectiveness depending on the suction configuration. Concurrently, porous panels without suction were found to destabilize the boundary layer. Subsequently, three types of surface defects (wires, forward-facing steps and gaps) were tested with wall suction. No significant differences between configurations with and without suction were observed. In particular, the critical defect dimensions (height and/or width), for which transition occurs at the defect location, were identical regardless of the suction configuration. For subcritical defects (where transition is not triggered immediately) however, wall suction could still delay transition, albeit less effectively than in the smooth case.
L’accroissement prévu du trafic aérien s’accompagne de forts enjeux économiques et environnementaux, nécessitant en particulier de réduire la consommation en carburant des aéronefs modernes. Pour cela, l’aspiration pariétale est une méthode qui permet de retarder la transition laminaire-turbulent des couches limites qui se développent à la surface des aéronefs, entrainant une réduction significative de la force de traînée et donc de la consommation en carburant. En effet, le coefficient de frottement d’une couche limite en régime laminaire est beaucoup plus faible qu'en régime turbulent. Toutefois, l’installation d’un système d’aspiration induit inévitablement des discontinuités géométriques (ou défauts de surface), en particulier à la jonction entre la zone aspirée et la zone pleine (sans aspiration). Or, ces défauts sont susceptibles de déclencher une transition prématurée, pouvant ainsi complètement annuler l’effet positif de l’aspiration.L’objectif de cette thèse est d’étudier expérimentalement l’effet de défauts de surface sur la transition d’une couche limite aspirée dans un écoulement incompressible et bidimensionnel. Dans un premier temps, un protocole expérimental a été mis en place pour vérifier la qualité de l’écoulement de la soufflerie et préciser un cas de référence pour la configuration lisse, sans défaut. En particulier, l’influence de la distribution longitudinale de l’aspiration sur la position de la transition a été étudiée, confirmant ainsi que tous les cas avec aspiration, qu’elle qu’en soit la distribution, permettaient de repousser la transition vers l’aval. En parallèle, il a été observé qu’une couche limite se développant au-dessus d’une paroi poreuse sans aspiration pouvait être déstabilisée. Dans un second temps, l’influence de trois types de défauts de surface (fils, marches montantes et rainures) a été étudiée. Les mesures ont montré le même comportement sur paroi pleine et sur paroi aspirée. En particulier, les dimensions critiques des défauts (hauteur et/ou largeur) à partir desquelles la transition a lieu au niveau du défaut restent inchangées. Toutefois, dans le cas de défauts sous-critiques, pour lesquels la transition n’est pas déclenchée immédiatement, l’aspiration permet toujours de retarder la transition.
Databáze: OpenAIRE
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