Dynamics investigation of a cross shear low : mixing layer - wake interaction
Etude de la dynamique d'un écoulement à cisaillements croisés : interaction couche de mélange - sillage
Résumé
The aim of this study is to understand the dynamics of a complex flow : a mixing layer - wake interaction. This flow, 3D and inhomogeneous in all three directions, is first analyzed with hot wire and wall pressure measurements. From those data, the Reynolds number, the aspect ratio and the shear parameter influence have been analyzed on the Strouhal number, the base pressure coefficient and the vortex-formation length. In particular, analyses show that, above the impact area of the mixing layer (the low velocity side), the spectral analysis systematically shows at least two cells of different frequency. The main organization is then analyzed by means of PIV (Particle Image Velocimetry) and of POD (Proper Orthogonal Decomposition). First POD modes, which are representative of the energetically dominant coherent structures, clearly show the presence of oblique structures on each side of the mixing layer impact area. In the high velocity zone, where flow is three-dimensional, the higher POD modes show linkages of structures, longitudinal structures and dislocation of structures, close to those found at the time of the wake three-dimensionalisation (both by their intrinsic nature or by perturbations along the span of the cylinder). In addition, a LODS (Low Order Dynamical System) is constructed using a Galerkin projection in the plane behind the cylinder axis. The analyze reveals the existence of a low beating frequency of an "injecting" flow on the high velocity side. Lastly, low Reynolds number simulated data comfort experimental results on the characteristic behavior for this flow configuration.
Dans cette étude, on s`intéresse à la compréhension de la dynamique de l`écoulement d`interaction d`une couche de mélange plane turbulente avec un cylindre circulaire. Cet écoulement tridimensionnel et inhomogène dans les trois directions est analysé, dans un premier temps, à l`aide de mesures fils chauds et de mesures de pressions pariétales. A partir de ces données, on montre l`influence du nombre de Reynolds, du rapport d`aspect et du paramètre de cisaillement sur le nombre de Strouhal, le coefficient de succion et la longueur de formation. En particulier, les analyses montrent que, dans la région au dessus de l`impact de la couche de mélange (du côté basse vitesse), l`analyse spectrale présente systématiquement au moins deux cellules de fréquence constante. L`organisation principale est quant à elle analysée à l`aide de mesures PIV (Vélocimétrie par Image de Particule) et au moyen de la POD (Décomposition Orthogonale aux valeurs Propres). Les premiers modes POD, représentant l`organisation des structures cohérentes énergétiquement dominantes, montrent clairement la présence de structures inclinées de part et d`autre de la région d`impact de la couche de mélange. En dessous de l`impact (du côté haute vitesse), où l`écoulement est tridimensionnel, les modes POD plus élevés présentent des modes de coalescence de structures, de structures longitudinales et de dislocations de structures, proches de ceux trouvés lors de la tridimensionalisation des sillages(par leur nature intrinsèque ou par perturbation suivant l`envergure du cylindre). Par ailleurs, à l`aide d`une projection de Galerkin dans le plan derrière l`axe du cylindre, un LODS (Low Order Dynamical System) est construit. Son analyse révèle l`existence d`une "injection" de fluide du côté haute vitesse de fréquence de battement faible. Enfin, une analyse de données simulées à bas nombre de Reynolds (DNS) permet de conforter les résultats expérimentaux sur la présence de comportements caractéristiques à cette configuration d`écoulement.