Modélisation d'oscillations auto-induites en régime transitionnel

Pour une aile rigide initialement à angle d'attaque nul, au repos et dont le profil est symétrique, des oscillations en tangage ont été observées dans la plage de nombres de Reynolds transitionnels. Ce phénomène a été observé dans le passé de manière expérimentale par des essais en soufflerie. Le présent projet utilise la mécanique des fluides numérique afin de simuler les oscillations et de comprendre les phénomènes physiques impliqués.

Une méthodologie qui permet de coupler le mouvement de l'aile rigide avec les forces instantanées exercées sur celle-ci a été établie à l'aide du code libre par volumes finis OpenFOAM. Les performances de différentes approches de modélisation de la turbulence de même que différents modèles ont été comparés. L'utilisation d'une approche de type URANS avec un modèle de transition a permis d'obtenir des prédictions des oscillations qui se comparent très bien aux résultats expérimentaux. Ces simulations de même que d'autres utilisant une modélisation de la turbulence plus avancée de type LES ont montré que les oscillations ne sont pas causées par les tourbillons convectés dans le sillage de l'aile, mais plutôt par la séparation laminaire de la couche limite. Ces tourbillons sont issus de la couche limite décollée et cette couche cisaillée est soumise à l'instabilité de Kelvin-Helmholtz. De plus, l'analyse des résultats a montré la présence d'une bulle de séparation laminaire. Cette bulle joue un rôle très important dans le maintien des oscillations auto-induites. Elle est en partie responsable de la variation des amplitudes et fréquences d'oscillation selon le nombre de Reynolds. L'effet de l'intensité turbulente de l'écoulement sur le phénomène oscillatoire a également été étudié et il a été montré qu'une haute intensité turbulente inhibe l'apparition des oscillations, tel qu'observé dans les  essais en soufflerie. Ces aspects de l'étude firent l'objet de deux articles mentionnés à l'onglet Publications.

Les oscillations en tangage et en pilonnement d'une aile rigide ont également été étudiées. En plus d'être libre de pivoter, un second degré de liberté en translation est permis à l'aile. Ce phénomène a également été observé par des essais en soufflerie. Au LMFN, une méthodologie numérique permettant de simuler ce comportement a été développée. Les résultats préliminaires montrent une bonne comparaison avec les résultats expérimentaux. Des amplitudes de tangage et de pilonnement assez importantes ont été observées. Dans ce cas, le phénomène de flottement est causé par le décrochage dynamique plutôt que par la séparation laminaire. De telles oscillations auto-induites pourraient éventuellement être utilisées afin d'extraire de l'énergie d'un écoulement dans le but de produire de l'électricité.

Modélisation d'oscillations auto-induites en régime turbulent

Tel que démontré au LMFN (voir section précédente), une aile rigide de profil symétrique libre de rotation et de translation développera des oscillations auto-induites dans la plage de nombres de Reynolds transitionnels. Ce phénomène de flottement est lié au décrochage dynamique de l'aile. Des simulations numériques ainsi que des essais en soufflerie ont démontré que les oscillations peuvent atteindre des amplitudes considérables.

Les oscillations auto-induites de l'aile à deux degrés de liberté n'étant pas liées à un mécanisme de transition, le même phénomène est observé pour une plage de nombre de Reynolds turbulents. Dans cette optique, le présent projet vise à effectuer une étude paramétrique de l'aile passive à deux degrés de liberté à Re=1E6. À l'aide de cette analyse, il sera possible de déterminer l'influence des multiples paramètres sur la dynamique de l'aile. Ultimement, le transfert d'énergie du fluide vers l'aile pourra être optimisé par un choix judicieux des paramètres d'influence. 

Les applications possibles de l'aile oscillante passive viennent rejoindre celle de l'Hydrolienne à Aile Oscillante actuellement développée par le LMFN.