Aerodynamics of external flows

Enseignants

Chatelain Philippe; Winckelmans Grégoire;

Langue
d'enseignement

Anglais

Thèmes abordés

Rappel des équations de conservation pour écoulements incompressibles et compressibles, analyse dimensionnelle (théorème de Vaschy-Buckingham) et applications. Formulation en tourbillon-vitesse des équations et résultats généraux : entropie, tube tourbillon (théorèmes de Kelvin et de Helmholtz), vitesse induite par le tourbillon (Biot-Savart) en 3-D et en 2-D, production (parois, terme baroclinique) et diffusion du tourbillon, reformulation de l'équation de Bernoulli. Ecoulement incompressible irrotationnel par région : feuilles tourbillons de paroi et de sillage, démarrage brusque d'un écoulement, aile d'envergure finie en régime permanent (modèle de Prandtl, aile optimale). Ecoulements compressibles : écoulements 2-D supersoniques permanents : petites perturbations et ondes acoustiques, méthode des caractéristiques, ondes de détente et ondes de choc, applications; écoulements 1-D non permanents : méthode des caractéristiques. Couche limite laminaire pour le cas avec vitesse variable (Falkner-Skan, Polhausen, Thwaites). Stabilité des écoulements (Orr-Sommerfeld), transition vers la turbulence. Couche limite turbulente : loi du "mur" et "loi logarithmique" (Prandtl, von Karman, Millikan), "loi du sillage" pour le cas avec vitesse variable et concept de couche limite turbulente "à l'équilibre" (Clauser, Coles). Modélisation de la turbulence : approche statistique (Reynolds) et équations moyennées, modèle de fermeture (algébriques, à une ou deux équations de conservation), exemples d'application.

Acquis
d'apprentissage

A la fin de cette unité d’enseignement, l’étudiant est capable de :
1	Eu égard au référentiel AA du programme « Master ingénieur civil mécaniciens », ce cours contribue au développement, à l'acquisition et à l'évaluation des acquis d'apprentissage suivants : AA1.1, AA1.2, AA1.3 AA2.1, AA2.4, AA2.5 AA3.1, AA3.2 AA5.2, AA5.4, AA5.5 AA6.3, AA6.4 Au terme du cours, l'étudiant aura approfondi ses connaissances et son savoir-faire en mécanique des fluides orientée vers l'aérodynamique (ou hydrodynamique) des écoulements externes. La démarche suivie privilégie la compréhension physique des problèmes et phénomènes rencontrés ainsi que leur modélisation dans un formalisme physique et mathématique adéquat. Il s'agit de développer l'aptitude de l'étudiant à utiliser les concepts et outils propres à l'aérodynamique (hydrodynamique) des écoulements externes pour comprendre des situations réelles relativement complexes, et pour les modéliser de façon simplifiée mais suffisante, en utilisant un formalisme mathématique et/ou numérique adéquat, afin d'obtenir une solution physique acceptable. Il s'agit aussi de développer l'aptitude de l'étudiant à effectuer des travaux en dehors des séances dirigées, via des exercices de type projet court (homework), et des laboratoires, et à produire des rapports écrits de qualité.

Contenu

1. Théorie générale (5 hrs)

• Rappels généraux pour la formulation classique des équations de Navier-Stokes.
• Analyse dimensionnelle : démonstration du théorème de Vaschy-Buckingham; applications.
• Thermodynamique des écoulements compressibles.

2. Dynamique du tourbillon (8 hrs)

• Equations de conservation en formulation "tourbillon-vitesse" pour les écoulements incompressible et compressible.
• Résultats sur les équations de conservation et sur les bilans avec volume de contrôle.
• Tube tourbillon 3-D : théorèmes de Kelvin et de Helmholtz, applications.
• Vitesse induite par le tourbillon : loi de Biot-Savart; application au tube tourbillon 3-D et au tourbillon gaussien 2-D.
• Production du tourbillon : parois, terme baroclinique; diffusion du tourbillon; reformulation de l'équation de Bernoulli (incompressible et compressible).
• Ecoulements 2-D irrotationnels : feuille tourbillon de démarrage; Kutta-Joukowski; théorème de Blasius pour la portance et le moment.
• Modèle de Prandtl pour l'aile d'envergure finie : traînée induite et portance, applications (aile optimale elliptique et aile rectangulaire) et efficacité d'Oswald.

3. Ecoulements compressibles de fluide parfait (5 hrs)

• Ecoulements 2-D supersoniques permanents : concept de caractéristiques; petites perturbations et ondes acoustiques; méthode des caractéristiques; onde de détente isentropique (détente de Prandtl-Meyer); onde de compression non isentropique (onde de choc: choc droit et choc oblique); applications (par ex., au profil en "diamant"); calcul de la traînée d'onde.
• Ecoulement 1-D non-permanent (subsonique ou supersonique) : méthode des caractéristiques et invariants de Riemann pour le cas isentropique; application à la propagation d'un système : onde de choc et onde de détente.

4. Couche limite laminaire (4 hrs)

• Similitude pour le cas Ue " xm : problème de Falkner-Skan. - Méthode de Polhausen (basée sur l'équation intégrale de von Karman) pour le cas où Ue est général, et amélioration de Thwaites.

5. Stabilité hydrodynamique et transition (1 hr)

• Linéarisation en petites perturbations des équations de Navier-Stokes et stabilité des écoulements visqueux; simplification pour écoulements parallèles (équation de Orr-Sommerfeld): application à la couche limite et comparaison avec des résultats expérimentaux.
• "Route" vers le chaos et la turbulence : approche descriptive pour le cas de la transition de la couche limite.

6. Couche limite turbulente (5 hrs)

• Rappels, approche classique et résultats globaux obtenus à partir de l'équation intégrale de von Karman dans le cas Ue constant.
• Approche de von Karman et de Prandtl pour la viscosité de turbulence : "loi logarithmique" au sein de la "loi du mur"; argument unificateur de Millikan.
• Couche limite avec Ue général: données expérimentales et unification de Coles : "loi du mur" et "loi du sillage", profils de vitesse, méthode de calcul pour le développement de la couche limite.
• Similitude et concept de couche limite turbulente à l'équilibre avec Ue non constant : approche de Clauser et évidence expérimentale; unification de Coles et paramètres de similitude.

7. Modélisation de la turbulence (2 hrs)

• Approche statistique de Reynolds et équations moyennées.
• Modèles de fermeture basés sur l'analyse dimensionnelle : algébriques, à une équation de transport, à deux équations de transport (e.g., k-e, k-w) calibration et conditions aux limites requises; applications et comparaisons avec des résultats expérimentaux.

Méthodes d'enseignement

Cours : Il y a typiquement 13 cours en salle, de 2 heures chacun.
Travaux pratiques en salle : ils sont constitués de séances d'exercices permettant de développer les applications abordées au cours.
Les étudiants doivent aussi effectuer un certain nombre (typiquement 3) de travaux de type homework qui requièrent de savoir utiliser des outils de programmation tels que Python ou Matlab. Ces travaux se font impérativement durant le quadrimestre, et chacun avec une date de début et une date limite de fin, et avec remise d'un rapport qui est évalué. Selon l'ampleur du travail attendu, ces travaux se font par deux ou se font seul. Ces travaux sont obligatoires et les notes obtenues participent de façon significative à l'évaluation de l'étudiant-e, en complément de la note obtenue à l'examen final.
Enfin, les étudiants doivent aussi participer aux laboratoires organisés par petits groupes et produire, pour chaque laboratoire, un rapport de groupe qui est aussi évalué.

Modes d'évaluation
des acquis des étudiants

Les notes pour les devoirs (homeworks) et les laboratoires correspondent à du travail à effectuer durant le quadrimestre, chacun dans une période de temps fixée.
La note finale de l'étudiant-e- prend en compte la notes des devoirs et des laboratoires, et la note de l'examen final écrit.
Les devoirs et laboratoires sont essentiels pour ce cours. Il n'est pas possible de réussir ce cours en ne présentant que l'examen.

Ressources
en ligne

http://moodleucl.uclouvain.be/enrol/index.php?id=8509

Bibliographie

• G. K. Batchelor, "An introduction to fluid dynamics", Cambridge University Press 1967 (reprinted paperback 1994).
• F. M. White, "Viscous fluid flow" second edition, Series in Mechanical Engineering, McGraw-Hill, Inc., 1991.
• P. A. Thompson, "Compressible-fluid dynamics", advanced engineering series, Maple Press, 1984.
• H. Lamb, "Hydrodynamics", sixth edition, Cambridge University Press 1932, Dover Publications.
• L. Rosenhead, "Laminar boundary layers", Oxford University Press 1963, Dover Publications.
• P. G. Drazin and W. H. Reid, "Hydrodynamic stability", Cambridge University Press 1985.
• M. Van Dyke, "An album of fluid motion", The Parabolic Press, 1982.
• H. Schlichting, "Boundary-layer theory", Mc Graw-Hill, NY, 1968.
• H.W. Liepmann and A. Roshko, « Elements of gasdynamics », Dover Publications, 2001.
• D. J. Tritton, « Physical Fluid Dynamics », Clarendon Press, 1988.

Support de cours

• Notes et/ou transparents des cotitulaires

Faculté ou entité
en charge

MECA