Numerical Study of Low-Frequency Unsteadiness Phenomena in Laminar Separation Bubbles

L’omniprésence de l’instationnarité basse fréquence dans les écoulements décollés, quelles que soient les conditions, et ses impacts significatifs sur les performances des dispositifs fluides et thermiques, souligne la nécessité de prédire avec précision et de contrôler efficacement ce phénomène. Bien que cette instationnarité basse fréquence soit largement observée dans de nombreux écoulements, le mécanisme physique sous-jacent à ce phénomène reste un sujet de débat continu. Cette thèse vise à identifier et comprendre les mécanismes physiques responsables des fluctuations basse fréquence dans les bulbes de décollement. À cette fin, 1) une étude de cas fondamentale d’un bulbe de décollement laminaire incompressible induit par un gradient de pression (LSB) est étudié à l’aide de la simulation numérique directe (DNS). Un écoulement laminaire typique et une plaque plane sont ainsi utilisés pour explorer les caractéristiques des basses fréquences indépendamment des conditions amont et des singularités géométriques. 2) La recherche évalue en parallèle la précision de la simulation des grandes échelles implicite (iLES) en tant que méthode numérique alternative à la DNS, en tenant compte du défi de capturer les basses fréquences avec des coûts de calcul raisonnables. La méthode iLES est évaluée pour simuler un écoulement derrière une marche descendante (BFS). Un écoulement laminaire et un nombre de Reynolds Re = 5000 rendent la simulation difficile à effectuer en raison de la formation de deux bulbes de décollement et d’une phase de transition laminaire-turbulente. La fiabilité de la méthode iLES est alors examinée en simulant l’écoulement BFS avec un écoulement amont turbulent. 3) L’étude élargit l’investigation des fluctuations basse fréquence dans les bulbes de décollement formés dans les écoulements BFS. En utilisant les résultats iLES, le phénomène basse fréquence est examiné dans un bulbe de décollement induit par la géométrie (GISB) derrière une marche descendante et un bulbe de décollement induit par la pression (PISB) formé en aval sur la paroi supérieure. De plus, les effets des perturbations en amont sur les fluctuations basse fréquence dans l’écoulement turbulent BFS sont examinés. Pour identifier et caractériser efficacement le comportement instationnaire de l’écoulement, les données de simulation sont analysées de manière approfondie en utilisant des structures d’écoulement instantanées, des champs d’écoulement moyennés dans le temps et dans la direction transversale, des analyses spectrales ainsi que des analyses de décomposition modale, notamment l’analyse en modes propres orthogonaux (POD) et la décomposition dynamique modale (DMD). Deux fréquences principales sont identifiées, à savoir une basse fréquence, et une fréquence vi plus élevée appelée fréquence d’émission. Le mode d’émission est étroitement lié à la formation et à la convection de structures cohérentes orientées dans le sens transversal à l’intérieur de la couche de cisaillement. Les analyses modales démontrent que les fluctuations basse fréquence résultent du passage de structures allongées de haute et basse vitesses communément appelées « streaks ». Ces structures se manifestent sous la forme de cycles d’événements d’apports (« sweeps ») et d’éjection (« bursts ») de fluide, entraînant respectivement la réduction et l’élargissement des bulbes de décollement. En l’absence de perturbations de l’écoulement amont, la formation de « streaks » dans les LSB peut se produire par deux mécanismes possibles : le développement d’un bulbe de décollement secondaire à l’intérieur du bulbe primaire, et l’apparition d’ondulations dans les structures orientées dans le sens transversal. Cependant, en présence d’un écoulement turbulent en entrée, les « streaks » de petite taille déjà présents en amont des bulbes de décollement sont amplifiés par la couche de cisaillement décollée. Les résultats de cette thèse ouvrent la voie à des études futures visant à aborder les problèmes non résolus liés aux fluctuations basse fréquence observées dans tous les types de bulbes de décollement, incluant les écoulements supersoniques. De plus, l’approche iLES proposée peut être une méthode efficace pour simuler des configurations d’écoulements complexes.