Couches limites turbulentes avec gradient de pression

Ce programme de recherche comprend deux volets ayant pour objectif commun et à long terme une meilleure compréhension des couches limites turbulentes, et en particulier celles soumises à un gradient de pression.


Volet 1 : Structure par couche et échelles
Volet 2 : Mouvements cohérents et aspects dynamiques

COLLABORATEURS :
Prof. Ayse Gül Güngör (Istanbul Technical University, Istanbul, Turquie) 
Dr Mark P. Simens (Universidad Politécnica de Madrid, Madrid, Espagne)
Prof. Tie Wei (New Mexico Institute of Mining and Technology, Socorro, USA)

La reconnaissance que les écoulements de paroi turbulents peuvent se subdiviser en couches et la découverte des échelles de longueur et de vitesse propres à chaque couche constituent les piliers fondamentaux de notre savoir sur ces écoulements. Dans le cas des écoulements de paroi simples (écoulements de conduite établis, couche limite de plaque plane), l'écoulement est généralement subdivisé en deux couches, même si d'autres propositions existent. Il s'agit de la couche interne, collée à la paroi, où les effets visqueux sont importants, et la couche externe, où ces mêmes effets visqueux sont négligeables et la turbulence domine. Il existe aussi une région de raccordement, commune à ces deux couches, appelée zone de recouvrement. L'idée de l'existence d'une zone de recouvrement permet d'obtenir une loi logarithmique pour le profil de vitesse dans cette zone de même qu'une loi de frottement. Cette idée est en fait l'une des clés de la compréhension des écoulements de paroi et de leur calcul.

Dans le cas des couches limites soumises à un gradient de pression prolongé ou intense, nous savons que la structure de la couche limite diffère de celle de la couche limite de plaque plane. Certains chercheurs considèrent qu'il existe toujours deux couches mais que la nature de ces couches a changé, conduisant à des échelles différentes. Les propositions d'échelles et de lois de raccordement sont multiples. D'autres chercheurs proposent plutôt une structure à trois couches. Bref, une vision reconnue, claire et unifiée du sujet n'existent toujours pas; ce qui nuit grandement à l'avancée de la compréhension et de la modélisation des écoulements complexes de ce type.

Figure schématisant l'état de nos connaissances (cliquer dessus pour agrandir).

Figure schématisant l'état de nos connaissances.

Nos travaux visent à développer une théorie la plus complète possible de la structure par couches de la couche limite turbulente. Nous cherchons à définir la structure par couches spécifique à chaque condition de gradient de pression, incluant celle des zones au voisinage du décollement. Nous cherchons aussi à déterminer comment se fait la transition d'une structure à une autre, de même que les échelles de longueur et de vitesse appropriées pour chacune des couches et dans chaque cas de gradient de pression.

Publications récentes :

T. Y. Maciel, T. Wei, A.G. Gungor, M. Simens (2018). Outer scales and parameters of adverse pressure gradient turbulent boundary layers. Journal of Fluid Mechanics 844, 5-35.

T. T. Wei, Y. Maciel (2018). Derivation of Zagarola-Smits scaling in zero-pressure-gradient turbulent boundary layers. Physical Review Fluids 3, 012601(R).

T. Wei, Y. Maciel, J. Klewicki (2017). Integral analysis of boundary layer flows with pressure gradient. Physical Review Fluids 2, 092601.

A. Gungor, Y. Maciel, M. P. Simens, J. Soria (2016). Scaling and statistics of large-defect adverse pressure gradient turbulent boundary layers. International Journal of Heat and Fluid Flow 59, 109-124.

A. Gungor, Y. Maciel, M. P. Simens, J. Soria (2014). Analysis of a Turbulent Boundary Layer Subjected to a Strong Adverse Pressure Gradient. Proceedings of the First Multiflow Summer Workshop held in Madrid, Spain, June 10-July 12, 2013, Institute of Physics: Conference Series 506 (2014) 012007.

Y. Maciel, K.S. Rossignol, J. Lemay (2006). Self-Similarity in the Outer Region of Adverse-Pressure-Gradient Turbulent Boundary Layers. Invited paper for a special section on Turbulent Boundary Layers, AIAA Journal 44(11), 2450-2464.

Y. Maciel, K.S. Rossignol, J. Lemay (2006). A Study of a Turbulent Boundary Layer in Stalled-Airfoil-Type Flow Conditions. Experiments in Fluids 41, 573-590.

COLLABORATEURS :
Prof. Ayse Gül Güngör (Istanbul Technical University, Istanbul, Turquie)
Dr Mark P. Simens (Universidad Politécnica de Madrid, Madrid, Espagne)

Étudiant PhD  : Taygun Recep Güngör

Bien que les écoulements turbulents soient en apparence chaotiques, il existe en leur sein des mouvements de fluide qui sont cohérents dans un volume et pour une période de temps relativement longue. Ces mouvements sont communément appelés structures cohérentes. Il est reconnu de nos jours que les structures cohérentes sont responsables du caractère auto-régénérant de la turbulence dans les écoulements de paroi. Elles jouent de plus un rôle important dans le transfert de masse et de quantité de mouvement. De ce fait, la modélisation robuste et le contrôle efficace des couches limites turbulentes dépendent fortement de notre compréhension de la cinématique, des mécanismes de génération et de la dynamique évolutive des structures cohérentes. Cette compréhension des structures cohérentes s'améliore constamment dans le cas des écoulements de paroi simples. En contraste, nous ne connaissons pas grand chose des propriétés et du rôle dynamique des structures cohérentes dans les couches limites en gradient de pression.
Figure. Structures Q2 et Q4, et corrélation en deux points entre v et u.

Nous avons effectué quelques études expérimentales des structures cohérentes présentes dans les couches limites décélérées par le passé. Ces dernières années, afin d'avoir accès à davantage d'information, nous simulons numériquement quelques cas types de couches limites fortement décélérées par simulation numérique directe (DNS). À l'aide de ces bases de données, nous cherchons à comprendre comment le gradient de pression affecte les mouvements cohérents en utilisant diverses techniques d’extraction de structures tridimensionnelles et d’analyse visuelle et statistique de ces structures.

Publications récentes :

T. R. Gungor, Y. Maciel, A. Gungor (2022). Energy transfer mechanisms in adverse pressure gradient turbulent boundary layers: production and inter-component redistribution. Journal of Fluid Mechanics, 948, A5 1-38.

T. R. Gungor, A. Gungor, Y. Maciel (2021). Energy transfer in turbulent boundary layers with adverse pressure gradient. iTi Conference on Turbulence IX, held in Bertinoro, Italy, February 25-26, 2021, Progress in Turbulence IX, Springer Proceedings in Physics 267.

T.R. Gungor, A.G. Gungor, Y. Maciel, M.P. Simens (2019). Investigation of the energy carrying structures in adverse pressure gradient flows. 11th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena (TSFP11), Southampton, UK, July 30 to August 2, 2019.

Y. Maciel, A.G. Gungor, M. Simens (2017). Structural differences between small and large momentum-defect turbulent boundary layers. International Journal of Heat and Fluid Flow 67, 95-110. 

Y. Maciel, M.P. Simens, A.G. Gungor (2016). Coherent structures in a non-equilibrium large-velocity-defect turbulent boundary layer. Flow, Turbulence and Combustion 98, 1-20. 

Y. Maciel, M. P. Simens, A. Gungor (2016). Coherent structures in a ZPG TBL and a strongly decelerated TBL. Proceedings of the 2nd Multiflow Summer Workshop held in Madrid, Spain, May 25-June 26, 2015, Institute of Physics: Conference Series 708 (2016) 012013.

A. Gungor, Y. Maciel, M. P. Simens (2016). The structure of APG turbulent boundary layers. Progress in Wall Turbulence 2: Understanding and Modelling. Proceedings of the WALLTURB International Workshop held in Lille, France, June 18-20, 2014. Springer, ERCOFTAC Series, Vol. 23, 283-293.

S. Rahgozar and Y. Maciel (2016). A visual assessment of hairpin packet structures in a DNS of a turbulent boundary layer. European Journal of Mechanics / B Fluids 56, 161-171.

A. Gungor, Y. Maciel, M. P. Simens, J. Soria (2014). Analysis of a Turbulent Boundary Layer Subjected to a Strong Adverse Pressure Gradient. Proceedings of the First Multiflow Summer Workshop held in Madrid, Spain, June 10-July 12, 2013, Institute of Physics: Conference Series 506 (2014) 012007.

S. Rahgozar, Y. Maciel and P. Schlatter (2013) Spatial resolution analysis of planar PIV measurements to characterise vortices in turbulent flows, Journal of Turbulence, 14:10, 37-66.

S. Rahgozar and Y. Maciel (2012). Statistical analysis of low- and high-speed large-scale structures in the outer region of an adverse pressure gradient turbulent boundary layer. Journal of Turbulence 13, N46, 1-24.

Y. Maciel, M. Robitaille, S. Rahgozar (2012). A method for characterizing cross-sections of vortices in turbulent flows. International Journal of Heat and Fluid Flow. doi: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2012.06.005

S. Rahgozar and Y. Maciel (2011). Low- and high-speed structures in the outer region of an adverse-pressure-gradient turbulent boundary layer. Experimental Thermal and Fluid Sciences, doi: 10.1016/j.expthermflusci.2011.07.009.

S. Rahgozar and Y. Maciel (2011). Spanwise characteristics of hairpin packets in a turbulent boundary layer under a strong adverse pressure gradient. Progress in Wall Turbulence: Understanding and modelling. Proceedings of the WALLTURB International Workshop held in Lille, France, April 21-23, 2009 ERCOFTAC Series, Vol. 14, Springer, 454 p., Hardcover, ISBN: 978-90-481-9602-9.

Y. Maciel and M.H. Shafiei Mayam (2010). Hairpin structures in a turbulent boundary layer under stalled-airfoil-type flow conditions. Progress in Turbulence III, Proceedings of the iTi Conference in Turbulence 2008, Series: Springer Proceedings in Physics , Vol. 131, J. Peinke; M. Oberlack; A. Talamelli (Eds.) , 2010, Approx. 350 p., Hardcover, ISBN: 978-3-642-02224-1, 199-202. Conference held on October 12-15, 2008 in Bertinoro, Italy.

M.H. Shafiei Mayam and Y. Maciel (2007). Hairpin structures in a turbulent boundary layer with strong adverse pressure gradient. Turbulence and Shear Flow Phenomena TSFP-5 2007, Munich, 27-29 Août 2007.