Numerical study of aircraft wake vortex
Etude numérique d'écoulements tourbillonnaires de sillage d'avion
Résumé
The wake of an aircraft is composed of intense vortices whose lifetime may be of the order of several minutes in calm air. The may represent a significant danger to any following aircraft as they may cause an upset in roll or downwash. The aim of the present work is to contribute to the knowledge of the wake vortex behavior, studying different flow configurations by direct numerical and large-eddy simulations. The first one concerns the wave propagation and collision along a single vortex, modeling the end-effects and vortex bursting phenomena, respectively. The wave propagation characteristics and its consequences were analyzed. Moreover, an objective criterion of appearance of the vortex bursting has been established. Then, the interaction between a vortex and jet has been simulated by temporal large-eddy simulations for the three flight conditions. In cruise condition, the interaction has for consequences to reduce the velocity extrema of the wing tip vortex. This effect is less important if the separation distance is large. For the take-off and approach phases, the study deals with the vortex emanating from a flap just above the engine jet. The results showed that the jet may be sufficient strong to lead to the complete loss of the vortex structure. The third phenomenon studied is the merging of two co-rotating vortices, which governs the dynamics in the extended near-field of an aircraft wake. The temporal approach allowed to analyze the process in stable and unstable conditions, without axial flow and for two realistic vortex models. The boundary conditions has been adapted to perform spatial simulations. These simulations are more representative and let to take into account the torsion of the system and the effects of axial flow. Two vortex flow configurations were simulated showing the complexity of the mechanisms.
Le sillage d'avion est composé de plusieurs tourbillons énergétiques dont la durée de vie peut atteindre plusieurs minutes. Ils peuvent représenter un danger pour un avion suiveur en raison d'un fort moment de roulis induit. Le travail présenté ici contribue à la connaissance du comportement de ces tourbillons à l'aide de simulations numériques directes et aux grandes échelles. Différents aspects de la dynamique des tourbillons ont été étudiés. Le premier concerne la propagation et la collision de fronts d'onde le long d'un tourbillon. Ces fronts peuvent être générés lors de la reconnexion des tourbillons contrarotatifs dans le champ lointain du sillage (instabilité de grande longueur d'onde). Les caractéristiques de la propagation et de ses conséquences ont été mises en évidence, ainsi qu'un critère objectif d'apparition du phénomène d'explosion tourbillonnaire (contribue fortement à la dissipation du sillage). Par le biais de simulations temporelles, une étude paramétrique a ensuite été menée pour caractériser et quantifier l'interaction entre un tourbillon et un jet de moteur. Les résultats obtenus montrent que l'écoulement de jet a pour effet de diminuer le pic de vitesse des tourbillons en condition de croisière. En conditions hypersustentées, le jet peut être suffisamment puissant pour mener à la déstructuration du tourbillon. Le dernier phénomène étudié est la fusion des tourbillons corotatifs émis en bout d'aile et de volet. L'approche temporelle a permis d'étudier ce processus dans des conditions stables et instables sans vitesse axiale, pour deux modèles de tourbillons. Des conditions limites adaptées ont par la suite été implantées dans le but d'effectuer des simulations spatiales de ce processus de fusion. Ce type de simulation permet en outre de prendre en compte la torsion du système tourbillonnaire et l'influence d'une vitesse axiale. Deux configurations d'écoulements ont été simulées et ont permis de montrer la complexité des mécanismes instationnaires existants. Cette thèse a été réalisée au CERFACS dans le cadre du projet européen FAR-Wake.