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THÈSE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par L'Institut National Polythechniques de Toulouse
Discipline ou spécialité : Dynamique des Fluides


Présentée et soutenue par ALOUI Fethi
Le 13/03/2010

Titre : Etude de Contrôle des Ecoulements

JURY
ALOUI Fethi, Maitre de Conférance Habité à la Faculté des Sciences et des Techniques-Nantes,
Rapporteur
Taieb LILI, Professeur à la Faculté des Sciences de Tunis, Rapporteur
Jean-Paul BONNET, Directeur de Recherche CNRS- LEA-Poitiers, Examinateur
Abdelmajid JEMNI, Professeur à l'Ecole Nationale d’Ingénieurs de Monastir, Président
Azeddine KOURTA, Professeur à l'Institut Polytechnique d’Orléans, Directeur de thèse
Sassi Ben NASLLAH, Professeur à l'Ecole Nationale d’Ingénieurs de Monastir, Directeur de thèse

Ecole doctorale : M.E.G.E.P
Unité de recherche : Institut de Mécanique des Fluides (IMFT)
Directeur(s) de Thèse : Azeddine Kourta / Sassi Ben Nasrallah
Rapporteurs : Taieb LILI / Fethi ALOUI



























Remerciements




J'ai attendu tout au long de la thèse la rédaction de cette dernière page qui en marquerait la fin.
En réalité, j'ai eu beaucoup de mal à rédiger cette page et clore définitivement cette étude.

Je tiens à remercier sincèrement Monsieur Sassi BEN NASRALLAH, Professeur à l’École
Nationale d’Ingénieurs de Monastir, de m’avoir proposé en tant que candidat pour une thèse de
Doctorat ce travail, et pour la confiance qu’il m’a accordée. Je vous remercie également pour tous les
conseils et les remarques scientifiques qui ont servi pour l’orientation de ce travail.

Je voudrai remercier et exprimer ma plus profonde gratitude à Monsieur Azeddine KOURTA,
Professeur à l’Institut PRISME Polytechnique d’Orléans. Je tiens à vous remercier pour m’avoir
encadré et d’avoir mobilisé énormément de votre temps pour l’avancement et l’aboutissement de ma
thèse. Je vous remercie à titre personnel, et bien que les mots me manquent d’avoir fait le maximum
pour que ce travail aille jusqu’au bout. J’espère que vous garderez un bon souvenir de votre thésard, car
je garderai toujours ce souvenir en ce qui me concerne.

J’exprime ma profonde gratitude à Messieurs Fethi ALOUI, Maître de conférence à
l’Université de Nantes et Taieb LILI, Professeur à la Faculté des Sciences de Tunis qui ont accepté la
lourde tâche d'en être les rapporteurs ainsi que pour les commentaires qu'ils ont formulé à cette
occasion.

J’exprime ma profonde gratitude à Monsieur Jean-Paul BONNET, Directeur de Recherche
CNRS LEA, Poitiers pour l’honneur qu’il m’a fait en acceptant de d’examiner cette thèse et de
participer au jury d’examen.

Je remercie également Monsieur le Professeur Abdelmajid JEMNI, qui m'a fait l'honneur de
présider mon jury de thèse.

Je tiens finalement à remercier Monsieur, Maher BEN CHIEKH Maître Assistant à l’École
Nationale d’Ingénieurs de Monastir, pour l’aide que vous m’avez fourni.

Je remercie aussi bien l’ensemble du personnel administratif et technique de l’IMFT et de
LESTE.

J’ai réservé mes pensées les plus sincères à mes ami(e)s qui m’ont comblé par leurs sympathies.
Une pensée du coeur à mes parents outre mer, et je leurs dis même si vous n’êtes pas présents
physiquement, vous êtes dans mon coeur….


Table des matières


Introduction Générale ......................................................................................................................................... 1

1 STRUCTURE DE LA COUCHE LIMITE ...................................................................................................... 6
1.1 GENERALITES SUR LES STRUCTURES COHERENTES ...................................................................................... 8
1.2 DEFINITION D’UNE STRUCTURE COHERENTE................................................................................................ 8
1.3 TECHNIQUES DE DETECTION DES STRUCTURES COHERENTES....................................................................... 9
1.4 PHENOMENES PHYSIQUES ET STRUCTURES COHERENTES ........................................................................... 10
1.5 STRUCTURE TOURBILLONNAIRE EN FER A CHEVAL .................................................................................... 11
1.6 STRIES DE COUCHE LIMITE......................................................................................................................... 14
1.7 PHENOMENE DE BURSTING.......................................................................................................................... 14
1.8 DESCRIPTION DES STRUCTURES SUIVANT LES REGIONS.............................................................................. 15
2 LE PHENOMENE DE DECOLLEMENT DE LA COUCHE LIMITE...................................................... 16
2.1 LA PHYSIQUE ............................................................................................................................................. 16
2.2 EFFET DE LA TRANSITION LAMINAIRE / TURBULENT SUR LE DECOLLEMENT............................................... 18
3 CONTROLE DE DECOLLEMENT .............................................................................................................. 19
3.1 METHODE DE CONTROLE DU DECOLLEMENT.............................................................................................. 19
3.2 LE CONTROLE PASSIF ................................................................................................................................. 22
3.2.1 Parois rainurées ou ‘’riblets’’ ............................................................................................................. 23
3.2.2 Surfaces viscoélastiques....................................................................................................................... 25
3.2.3 Polymères............................................................................................................................................. 26
3.2.3.1 Effetsurlechampmoyen ......................................................................................................................26
3.2.3.2 Effetsurlesgrandeursturbulentes ....................................................................................................27
3.2.4 Dispositif ‘’LEBU’’.............................................................................................................................. 27
3.2.5 Modification des propriétés mécaniques de la paroi ........................................................................... 28
3.3 LE CONTROLE ACTIF .................................................................................................................................. 28
3.3.1 Contrôle acoustique ............................................................................................................................. 29
3.3.2 Paroi mobile......................................................................................................................................... 29
3.3.3 Contrôle thermique .............................................................................................................................. 31
3.3.4 Le contrôle électromagnétique............................................................................................................. 31
3.3.5 Moyens fluidiques actifs....................................................................................................................... 33
4 CONCLUSION................................................................................................................................................. 36


1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT .......................................................................................................... 41
2 LES DIFFERENTS ACTIONNEURS DE JET SYNTHETIQUES............................................................. 41
3 PARAMETRE DU JET SYNTHETIQUE ..................................................................................................... 43
4 CARACTERISTIQUES D’UN JET SYNTHETIQUE ................................................................................. 45
4.1 LA LONGUEUR DE DECHARGE .................................................................................................................... 45
4.2 ECHELLE DE VITESSE ................................................................................................................................. 45
4.3 NOMBRE DE REYNOLDS BASE SUR L’ECHELLE DE VITESSE ........................................................................ 45
4.4 NOMBRE DE REYNOLDS BASE SUR L’IMPULSION........................................................................................ 46
4.5 NOMBRE DE STROUHAL............................................................................................................................. 46
4.6 LE COEFFICIENT DE QUANTITE DE MOUVEMENT......................................................................................... 47

G


5 CRITERES DE FORMATION....................................................................................................................... 47
6 STRUCTURE DE L'ECOULEMENT DE JET SYNTHETIQUE............................................................... 48
6.1 L'ECOULEMENT EN CHAMP PROCHE ........................................................................................................... 49
6.2 L'ECOULEMENT EN CHAMP LOINTAIN......................................................................................................... 50
7 INFLUENCE DE L’ARCHITECTURE DE L’ACTIONNEUR .................................................................. 52
7.1 EFFET DE LA GEOMETRIE DE L'ORIFICE D'EMISSION.................................................................................... 52
7.2 EFFET DU DESIGN DE LA CAVITE ................................................................................................................ 53
8 SYNTHESE....................................................................................................................................................... 54
9 CONTROLE DES ECOULEMENTS DECOLLES...................................................................................... 56
9.1 LES NOMBRES ADIMENSIONNES DE L'INTERACTION ET LEUR IMPACT DANS LES STRATEGIES DE CONTROLE
56
10 CONTROLE DES ECOULEMENTS PAR JETS SYNTHETIQUES......................................................... 61
10.1 ECOULEMENT SUR UNE PLAQUE PLANE...................................................................................................... 62
10.2 ECOULEMENT AUTOUR D’UN OBSTACLE .................................................................................................... 69
10.3 CONTROLE DU DECOLLEMENT SUR UNE RAMPE ......................................................................................... 73
10.4 CONTROLE PAR JET PULSE DE L'ECOULEMENT DANS UN DIVERGENT COURT A GRAND ANGLE.................... 75
11 CONCLUSION................................................................................................................................................. 76


1 MOYENS D’INVESTIGATION..................................................................................................................... 78
1.1 LA SOUFFLERIE S4 DE L’IMFT .................................................................................................................. 78
1.2 LA SOUFFLERIE DE L’ENIM....................................................................................................................... 78
1.3 LA SOUFFLERIE DE BORJ CEDRIA DE TUNIS ................................................................................................ 79
1.4 LES CONFIGURATIONS GEOMETRIQUES ...................................................................................................... 80
2 LES MOYENS ET LES TECHNIQUES DE MESURE ............................................................................... 84
2.1 VISUALISATIONS D’ECOULEMENT.............................................................................................................. 84
2.2 ANEMOMETRIE A FIL CHAUD...................................................................................................................... 85
2.2.1 Principe................................................................................................................................................ 85
2.2.2 Description du dispositif ...................................................................................................................... 87
2.2.3 Mesure de la quantité de mouvement injectée par le jet synthétique ................................................... 88
2.3 VELOCIMETRIE PAR IMAGE DE PARTICULES .............................................................................................. 90
2.3.1 Principe................................................................................................................................................ 90
2.3.2 Capteurs sensibles................................................................................................................................ 91
2.4 MONTAGE DE LA CHAINE PIV.................................................................................................................... 92
2.5 TRAITEMENT DES IMAGES.......................................................................................................................... 95
3 POST-TRAITEMENT DES DONNEES ........................................................................................................ 97
3.1 MOYENNE.................................................................................................................................................. 97
3.1.1 Moyenne temporelle ............................................................................................................................. 97
3.1.2 Moyenne de phase................................................................................................................................ 98
3.2 FLUCTUATION DE LA VITESSE ET ENERGIE CINETIQUE ............................................................................... 98
3.3 CHAMP DE VORTICITE................................................................................................................................ 98
3.4 CRITERE Q................................................................................................................................................. 99
3.5 CRITERE 2 ............................................................................................................................................... 99
3.6 DECOMPOSITION ORTHOGONALE EN MODES PROPRES.............................................................................. 100
3.6.1 Principe de la POD............................................................................................................................ 101
4 CONCLUSION............................................................................................................................................... 103

a
¥
¥
¥
a
a
¥


1 DESCRIPTION DE L’ACTIONNEUR........................................................................................................ 105
2 CARACTERISATION DE L’ACTIONNEUR ............................................................................................ 107
2.1 MESURE PAR L’ANEMOMETRIE A FIL CHAUD............................................................................................ 107
2.1.1 Réponse de l’actionneur..................................................................................................................... 107
2.1.2 Effet de la fréquence........................................................................................................................... 109
2.1.3 Effet de la tension d’alimentation ...................................................................................................... 111
2.1.4 Décroissance de la vitesse suivant l’axe du jet .................................................................................. 112
2.1.5 Analyse spectrale ............................................................................................................................... 113
2.2 MESURES PAR PIV................................................................................................................................... 115
2.2.1 Résultats ............................................................................................................................................. 116
2.2.1.1 Champdevitessemoyen .....................................................................................................................116
2.2.1.2 Dynamiquedesstructures ..................................................................................................................117
Effet de la tension d’alimentation sur la dynamique des structures........................................................ 125
Effet de la fréquence sur la dynamique des structures............................................................................ 125
2.2.1.3 Profilsdesvitessesmoyennes.............................................................................................................126
3 CONCLUSION............................................................................................................................................... 130


1 DISPOSITIF EXPERIMENTAL.................................................................................................................. 133
2 VALIDATION DES MOYENS DE MESURES .......................................................................................... 134
3 EFFET DE L’ACTIONNEUR SUR L’ECOULEMENT............................................................................ 137
3.1 ANALYSE DE L’ECOULEMENT INSTANTANE AVEC CONTROLE .................................................................. 137
3.2 ANALYSE DES SPECTRES DE LA VITESSE .................................................................................................. 140
3.3 CHAMP DE VITESSE MOYENNE ................................................................................................................. 144
3.4 ACTION SUR LES PROFILS DE VITESSE DE LA COUCHE LIMITE................................................................... 146
3.5 FLUCTUATIONS DU CHAMP DE VITESSE.................................................................................................... 156
3.5.1 Energie cinétique ............................................................................................................................... 158
2 2
3.5.2 Evolution des u’ /U , v’ /U , uv /U et k /U suivant x/e ......................................................... 161
4 CONTROLE PAR JET SYNTHETIQUE EN SYNCHRONISATION DE PHASE................................ 165
4.1 DYNAMIQUES DES TOURBILLONS............................................................................................................. 165
4.2 CARTOGRAPHIES DE LA VORTICITE EN SYNCHRONISATION DE PHASE ...................................................... 166
4.2.1 Dynamiques des tourbillons dans la couche limite pour =90°........................................................ 166
4.2.2 Dynamique des tourbillons dans la couche limite pour =45° et =30° ......................................... 169
4.2.3 Cartographies de vitesse transversale V en synchronisation de phase.............................................. 171
4.2.4 Trajectoire des centres de tourbillons................................................................................................ 173
4.2.4.1 Evolutiondesprofilsdelavitesseenfonctiondelaphase...........................................................176
4.3 ANALYSE ET FILTRAGE DES CHAMPS DE VITESSE OBTENUS EN UTILISANT LA POD ................................. 184
5 ETUDE DE CONTROLE SUR LA RAMPE............................................................................................... 191
6 CONCLUSION............................................................................................................................................... 193

Conclusion Générale et Perspectives........................................................................................................ 194

Références bibliohgraphiques ..................................................................................................................... 194





Table des figures


Fig.1"#esifférentes%oneseaoucheimite&Chassaing,000)...................................................... 7
Fig.2+)"oncep t’unourbillonnorme’épingle-heveux
elon/heodorsen&1952)2b)"
Partie’unourbillonner-heval
elon3obinson&1991)......................................................... 12
Fig.3"4équenceseortexssue’unortexrimaire&Zhoutl.999)........................................ 13
Fig.4"6isen$videncee
tructuresn$pingles,btenuesaresureIV&Adriantl.000).
............................................................................................................................................................ 13
Fig.5+:’Streaks’’eoucheimite&Corrsin,1955). ............................................................................. 14
Fig.6+Modèleeproductioneturbulencerèseaaroi&Henze,975). .................................. 16
Fig.7"rofilseitesseorsuécollement&Chassaing,2000). ....................................................... 17
Fig.8"4illage’unylindre-3e=105&Vanyke,982).................................................................... 18
Fig.9"écollementutour’unrofil’aile’avion.Visualisationsaruméeséaliséesàornell
............................................................................................................................................................ 18
Fig.10"Classificationeséthodeseontrôleselonesépenses’énergie................................... 20
Fig.11"Boucleuverteuontrôlerédéterminé............................................................................... 20
Fig.12"Contrôleéactiftypeeed"back.............................................. 21
Fig.13"ontrôleéactifypeeed"forward. ......................................................................................... 21
Fig.14"Mécanismeseréductiont’augmentationurottement’aprèshoitl.1994). ..... 24
Fig.15"«Vortexenerators»ourontrôler’écoulementeunetterrière&CitroënAir"Lounge®
(2004)). ............................................................................................ 25
Fig.16"3éductionurottementarnsertionulamelle4kandajital.1997)............................ 28
Fig.17"ontrôlee
triesariétalesarndulationearoi&Konieczny,004).......... 31
Fig.18"Action’unorçagearallèle
urnelaquelanenncidence&Weiertl.2000). ....... 32
Fig.19"Visualisatione'écoulementrééarunortexénérateurluidepulsélacéansn
écoulementransverse&Dandois,005). .......................................................................................... 33
Fig.20"ontrôleeaoucheimitear
oufflage.............................................................................. 34
Fig1.21"ontrôleérodynamiqueeaoucheimitearspirationAspectssuccessifsurofiles
vitesses3.omolet,1994). ............................................................ 34
Fig.22"L’effet’aspiration
urxtz&Comolet,994)................................................................... 35
Fig.23"Jet
ynthétique&Glezer,999). ........................................................... 36