Les parois perforées comme moyen potentiel de réduire le frottement turbulent a été un sujet d'intérêt dans la dernière décennie.
Bien que plusieurs études aient démontré les propriétés de réduction du frottement d'une paroi perforée, une caractérisation détaillée de la topologie de l'écoulement ainsi que la modification de l'activité turbulente ne sont pas présentes dans la littérature. De plus, plusieurs désaccords persistent sur les mécanismes possibles impliqués dans la réduction du frottement.
Une étude expérimentale a été menée pour étudier les modifications de la couche limite en présence d'un réseau de cavités. Les techniques utilisées sont l'anémométrie à fil chaud et la vélocimétrie par image de particules. Une caractérisation détaillée des statistiques de l'écoulement, de l'activité turbulente près de la paroi ainsi que des structures à grande échelle est fournie pour le cas de base d'une plaque plate lisse. Les résultats, comparés à des références récentes de simulation numérique directe, apportent une confiance dans la qualité de l'installation. L'analyse des zones de momentum uniforme fournit des preuves qu'une disposition hiérarchique des vortex en épingle à cheveux est réalisable même aux nombres de Reynolds modérés des études actuelles.
Les résultats obtenus sur la paroi perforée confirment la possibilité de réduire le frottement de peau avec des cavités circulaires jusqu'à 20%. Le frottement a été évalué en utilisant la technique du diagramme de Clauser et les résultats ont été confirmés par un ajustement linéaire dans la sous-couche visqueuse.
Plusieurs configurations ont été testées, le paramètre qui gouverne la modification de la couche limite turbulente est le ratio de surface ouverte, défini comme le rapport entre la surface perforée et la surface non perforée. Une influence négligeable de l'alignement, de la hauteur et du nombre de Reynolds de la cavité a été trouvée. Les statistiques sont assez uniformes dans le sens de l'envergure.
Les statistiques jusqu'au troisième ordre, ainsi que l'activité turbulente, sont modifiées par les cavités. Les résultats montrent des similitudes frappantes avec une couche limite turbulente avec un soufflage uniforme, qui est connu pour réduire le frottement de peau.
Au moins pour le ratio de surface ouverte le plus élevé, les cavités favorisent la formation d'un pic externe dans l'intensité de la turbulence, comme cela se produit pour un nombre de Reynolds très élevé. La distribution spectrale 2D montre un comportement de "bi-bosse". Le pic interne du spectre est déplacé vers des longueurs d'onde plus faibles, ce qui suggère que les stries sont raccourcies par les cavités, le pic externe peut être associé à la formation de rouleaux allongés quasi-sensoriels dans la région externe de la couche limite.
Ces structures peuvent être liées à une diminution de la vitesse modale de la première zone de momentum uniforme.
La contribution de la pression à la traînée totale, due à l'impact de la couche limite sur le coin aval de la cavité, est évaluée à partir de simulations LES. Une augmentation de la traînée de pression avec le nombre de Reynolds peut être mise en évidence. La traînée de pression réduit l'avantage du frottement de peau, mais il est démontré qu'une réduction de la traînée totale jusqu'à 6 % peut être obtenue. |
Perforated walls as a potential way to reduce the turbulent skin friction has been a topic of interest in the last decade.
Despite several studies have demonstrated the skin friction reduction properties of a perforated wall, a detailed characterisation of the flow topology as well as the modification of the turbulent activity is not present in the literature. In addition, several disagreements persist on the possible mechanisms involved in the skin friction reduction.
An experimental study has been conducted to study the boundary layer modifications that undergoes in presence of an array of cavities. The techniques employed are the hot wire anemometry and the particle image velocimetry. A detailed characterisation of the flow statistics, the near-wall turbulent activity as well as the large scale structures is provided for the smooth flat plate baseline case. The results, compared with recent direct numerical simulation reference, bring confidence in the quality of the setup. The uniform momentum zones analysis provides evidences that a hierarchical arrangement of the hairpin vortexes is achievable even at the moderate Reynolds numbers of the current investigations.
The results on the perforated wall confirm the possibility of reducing the skin friction with circular cavities up to 20%. The skin friction has been evaluated using Clauser's chart technique and the results have been confirmed by a linear fit in the viscous sublayer.
Several configurations have been tested, the parameter that governs the modification of the turbulent boundary layer is the open area ratio, defined as the ratio between the perforated and the non perforated area. Negligible influence of the cavity alignment, height, and Reynolds number has been found. The statistics are quite uniform in the spanwise direction.
The statistics up to the third order, as well as the turbulent activity, are modified by the cavities. The results show striking similarities with a turbulent boundary layer with uniform blowing, that is know to reduce skin friction.
At least for the highest open area ratio, the cavities promote the formation of an outer peak in the turbulence intensity as it happens for very high Reynolds number. The 2D spectral distribution show a "bi-hump" behaviour. The inner peak of the spectrum is shifted towards lower wavelengths suggesting that the streaks are shortened by the cavities, the outer peak can be associated with the formation of elongated quasi-streamwise rollers in the outer region of the boundary layer.
These structures can be linked to a decrease of the modal velocity of the first uniform momentum zone.
The pressure contribution to the total drag, due to the impingement of the boundary layer on the downstream corner of the cavity, is evaluated from LES simulations. An increase in the pressure drag with the Reynolds number can be highlighted. The pressure drag reduces the skin friction benefit, however it is shown that a total drag saving up to 6% can be achieved. |