Simulation of three-dimensional flows past infinite cylindrical bodies
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Abstract EN:
The thesis sheds light on the onset of three-dimensionality in the wake of infinite cylindrical bodies. The first part of thesis consists in an investigation of the wake of a straight infinite circular cylinder by 3D simulations. It shows that the subcriticality of the bifurcation giving rise to the onset of three-dimensionality triggers very strong non-linear effects limiting considerably the relevance of the linear theory. The flow dynamics is shown to be chaotic and to contain very large spanwise scale that must be taken into account to reproduce reliably experimental observations. The obtained numerical results set the subcritical bi-stability interval down to the Reynolds number of 170 and show that the well-known modes A and B co-exist in all regimes since the very onset of the three-dimensionality. The method of investigation of the cylinder wake is further applied to a NACA0012 airfoil with variable angle of incidence. The onset of three-dimensionality is investigated for angles of incidence from 8 to 12 degrees. The corresponding bifurcation is supercritical. The obtained spanwise scales might be of use in designing efficient direct numerical simulations.
Abstract FR:
La thèse clarifie les mécanismes de la transition à la tridimensionnalité apparaissant dans le sillage d'objets cylindriques infinis. La première partie se concentre sur l'étude du sillage d'un cylindre circulaire par des simulations tridimensionnelles. Elle montre que le caractère sous-critique de la bifurcation déclenchant la tridimensionnalité est à l'origine d'effets non-linéaires extrêmement forts limitant considérablement la pertinence de la théorie linéaire. La dynamique de l'écoulement est fortement chaotique et contient de très grandes échelles dans la direction de l'envergure du cylindre qu'il est nécessaire de prendre en compte afin de reproduire d'une manière fiable les résultats expérimentaux. Les résultats numériques obtenus mettent en évidence la limite inférieure de l'intervalle de bi-stabilité sous-critique au nombre de Reynolds de 170 et montrent que les modes A et B coexistent dès ce nombre de Reynolds. La même méthode d'étude est ensuite appliquée à une aile NACA0012 infinie placée dans un écoulement à des angles d'incidence variables. L'apparition de la tridimensionnalité est étudiée pour des angles d'incidence allant de 8 à 12 degrés. La bifurcation correspondante est supercritique. Les échelles spatiales prédites peuvent être utiles pour la mise en place de simulations numériques directes efficaces.