Unsteadiness in compressible separated flows : case of impinging shock wave boundary layer interactions
Instationnarités dans les décollements compressibles : cas des couches limites soumises à ondes de choc
Résumé
An interaction between an oblique shock wave and a fully developed turbulent boundary layer on a flat plate, at Mach number 2.3, has been studied experimentally.
This kind of interaction, for strong enough shock waves, induces separation and reattachment of the boundary layer, and is characterized by a strong unsteadiness at low frequencies. The origin of this low frequency motions is not well known. It has been partly characterized experimentally in previous studies, and common features have been observed between the present interaction, others configurations (compression ramps, blunt fins, etc...) and subsonic separation, suggesting that the governing mechanisms of the unsteadiness are of same nature.
In this work, Particle Image Velocimetry (PIV) has been used in order to describe the spatial organization of this interaction. A strong statistical link has been shown between the low frequency unsteadiness of the separation shock and the successive contractions/dilatations of the detached bubble. The proposed interpretation is that the large scale movements of the separation shock is linked to the low frequency pulsations of the recirculating bubble, associated with an intermittent fluid realimentation.
An aerodynamic model is proposed and determines the main parameters which influence the time scale of the phenomenon. In particular, this model gives the typical frequency for the unsteady reflected shock. This model has been applied for several experimental configurations, for Mach numbers from 0 to 5, and shows a good agreement with measurements.
This kind of interaction, for strong enough shock waves, induces separation and reattachment of the boundary layer, and is characterized by a strong unsteadiness at low frequencies. The origin of this low frequency motions is not well known. It has been partly characterized experimentally in previous studies, and common features have been observed between the present interaction, others configurations (compression ramps, blunt fins, etc...) and subsonic separation, suggesting that the governing mechanisms of the unsteadiness are of same nature.
In this work, Particle Image Velocimetry (PIV) has been used in order to describe the spatial organization of this interaction. A strong statistical link has been shown between the low frequency unsteadiness of the separation shock and the successive contractions/dilatations of the detached bubble. The proposed interpretation is that the large scale movements of the separation shock is linked to the low frequency pulsations of the recirculating bubble, associated with an intermittent fluid realimentation.
An aerodynamic model is proposed and determines the main parameters which influence the time scale of the phenomenon. In particular, this model gives the typical frequency for the unsteady reflected shock. This model has been applied for several experimental configurations, for Mach numbers from 0 to 5, and shows a good agreement with measurements.
Une interaction entre une onde de choc oblique et une couche limite turbulente sur plaque plane, à un nombre de Mach de 2.3 a été étudiée expérimentalement.
Ces interactions, pour des ondes de choc assez fortes, engendrent le décollement et le recollement de la couche limite, et sont le siège d'instationnarités basses fréquences dont les origines sont mal connues. Ces instationnarités ont été caractérisées expérimentalement en partie dans des travaux précédents, et des similarités entre l'interaction étudiée ici et d'autres configurations d'interactions ainsi qu'avec les décollements de couche limite subsonique ont été mis en évidence, suggérant que les mécanismes responsables des instationnarités sont de même nature.
Pour ces travaux, la Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV) a été utilisée afin de décrire spatialement l'organisation longitudinale et transversale de cette interaction. L'exploitation des mesures a mis en évidence un lien statistique fort entre les mouvements basses fréquences du choc réfléchi et les contractions/dilatations successives du bulbe décollé. L'interprétation proposée est que les grands mouvements du choc sont liés aux pulsations basses fréquences du décollement, associées à sa réalimentation intermittente en air frais.
Un modèle aérodynamique en a été déduit et permet de préciser les principaux paramètres contrôlant l'échelle de temps du phénomène. En particulier, il permet de déterminer la fréquence des battements du choc. Ce modèle a été appliqué aux interactions sur plaques planes ainsi que pour d'autres configurations expérimentales, pour un éventail de nombres de Mach allant de M=0 à 5, et montre un bon accord avec les mesures.
Ces interactions, pour des ondes de choc assez fortes, engendrent le décollement et le recollement de la couche limite, et sont le siège d'instationnarités basses fréquences dont les origines sont mal connues. Ces instationnarités ont été caractérisées expérimentalement en partie dans des travaux précédents, et des similarités entre l'interaction étudiée ici et d'autres configurations d'interactions ainsi qu'avec les décollements de couche limite subsonique ont été mis en évidence, suggérant que les mécanismes responsables des instationnarités sont de même nature.
Pour ces travaux, la Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV) a été utilisée afin de décrire spatialement l'organisation longitudinale et transversale de cette interaction. L'exploitation des mesures a mis en évidence un lien statistique fort entre les mouvements basses fréquences du choc réfléchi et les contractions/dilatations successives du bulbe décollé. L'interprétation proposée est que les grands mouvements du choc sont liés aux pulsations basses fréquences du décollement, associées à sa réalimentation intermittente en air frais.
Un modèle aérodynamique en a été déduit et permet de préciser les principaux paramètres contrôlant l'échelle de temps du phénomène. En particulier, il permet de déterminer la fréquence des battements du choc. Ce modèle a été appliqué aux interactions sur plaques planes ainsi que pour d'autres configurations expérimentales, pour un éventail de nombres de Mach allant de M=0 à 5, et montre un bon accord avec les mesures.
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