Topic description
La couche limite turbulente génère une friction pariétale importante, qui accroît la traînée des aéronefs. En régimes supersoniques et hypersoniques, elle s'accompagne également d'un échauffement intense, constituant un défi majeur pour la conception de nouveaux véhicules rapides. Réduire simultanément la friction et le flux thermique par des actions de contrôle est donc un enjeu essentiel.
Les stratégies historiques de réduction de friction en écoulement supersonique reposent principalement sur des techniques passives ou des actions actives prédéfinies. Ces approches restent cependant limitées en termes d'efficacité et de robustesse lorsque les conditions de vol évoluent. Les méthodes de contrôle réactif, reposant sur des mesures en temps réel, offrent un potentiel supérieur, mais les études existantes se sont majoritairement concentrées sur le retard à la transition vers la turbulence. Or, détecter les instabilités responsables de cette transition est difficile, car leurs amplitudes restent très faibles (moins de 1 % de l'écoulement amont), rendant leur identification délicate en laboratoire ou en vol.
Une alternative consiste à réduire la friction d'une couche limite déjà turbulente, dont les fluctuations sont beaucoup plus marquées. En écoulements incompressibles, plusieurs travaux ont montré qu'il est possible d'atténuer les structures turbulentes proches de la paroi – responsables de l'essentiel de la friction – grâce à des outils linéaires issus de la théorie du contrôle réactif. Ces approches exploitent le fait que les mécanismes d'auto-entretien des structures quasi-pariétales possèdent une forte composante linéaire. Toutefois, les études existantes reposent sur des stratégies de commande (inverse feedforward, contrôleur proportionnel-dérivé, LQG) loin d'être optimales sur le plan multicritère ou en termes de robustesse vis-à-vis des incertitudes.
Les méthodes modernes de synthèse multicritère et multi-objectifs, capables d'optimiser simultanément performance, robustesse et efficacité énergétique, apparaissent particulièrement prometteuses pour ce type d'écoulement complexe, mais n'ont pas encore été appliquées aux couches limites turbulentes supersoniques.
Cette thèse numérique vise à concevoir un contrôle en boucle fermée pour atténuer les structures turbulentes d'une couche limite turbulente supersonique, en vue de réduire la friction. L'approche repose sur un réseau de capteurs et d'actionneurs piloté par un contrôleur MIMO, conçu à l'aide de méthodes de synthèse avancées. La première étape consiste à identifier des capteurs pariétaux fournissant une information représentative des structures turbulentes ciblées. En parallèle, il s'agit de déterminer l'action la plus efficace pour les actionneurs, comme la génération de tourbillons longitudinaux capables de modifier la dynamique near-wall.
Une fois l'architecture capteur-actionneur établie, des modèles réduits de l'écoulement seront construits par des techniques data-driven afin d'élaborer les lois de commande. La thèse analysera ensuite l'efficacité énergétique, la robustesse aux variations de Re_τ et l'impact des actions de contrôle sur les structures turbulentes. Pour maintenir de bonnes performances lorsque Re_τ augmente – un régime où les grandes structures de la couche logarithmique influencent fortement la turbulence proche de la paroi – plusieurs boucles de contrôle ciblant différentes échelles (structures quasi-pariétales rapides et structures externes lentes de grande échelle) pourront être combinées.
Cette étude, à l'interface entre mécanique des fluides et théorie du contrôle, ambitionne ainsi de démontrer la faisabilité d'un contrôle réactif robuste pour réduire la friction en couche limite turbulente supersonique, ouvrant la voie à des applications sur les futurs véhicules à très grande vitesse.
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Turbulent boundary layer leads to important wall friction penalizing aircraft drag. At high speeds, the generated heat is significant and becomes a major concern for the design of supersonic/hypersonic vehicles. Hence, limiting both skin friction and heat flux via control action appears to be a pivotal aspect for new supersonic/hypersonic vehicle design.
Friction reduction strategies in supersonic regimes have often relied on passive control methods or predetermined active strategies, which may be less effective and robust in response to changing operating conditions compared to reactive control strategies that continuously adjust control actions based on real-time measurements. The few supersonic studies using reactive control aim to reduce friction by delaying the transition to turbulence in the boundary layer.
However, detecting the instabilities that lead to turbulence can be challenging in experimental or flight conditions, since these instabilities have very low amplitudes compared to the upstream flow (less than 1%). To overcome this difficulty, one solution is to reduce the friction of an already turbulent boundary layer (where fluctuations around the mean flow are on the order of several tens of percent).
Reducing the friction of a turbulent boundary layer has already been achieved in incompressible flows using classical linear tools from reactive control theory, even though the dynamics of a turbulent boundary layer are inherently nonlinear. Indeed, by manipulating only the near-wall turbulent structures—whose key self-sustaining processes are linear —it is possible to achieve drag reduction. However, these studies relied on approaches such as inverse feedforward controllers, proportional derivatives, or LQG, which are far from optimal in terms of performance or robustness. Modern multi-criteria and multi-objective synthesis methods, which appear promising for cases like turbulent boundary layers, do not seem to have been used.
The goal of this numerical thesis, at the intersection of fluid mechanics and reactive control theory, is to use a network of sensors and actuators controlled by a controller designed with multicriteria synthesis methods to mitigate the turbulent structures developing in a supersonic turbulent boundary layer, thereby reducing friction.
Implementing closed-loop control of the supersonic turbulent boundary layer, based on a MIMO (Multiple Input Multiple Output) architecture, will first involve determining wall-mounted sensors capable of providing information strongly correlated with the turbulent structures we aim to mitigate. We will also study the response that actuators must produce within the flow (such as generating streamwise vortices) to ensure optimal control. Once the control system is defined, reduced-order models of the flow will be identified using data-driven methods to synthesize control laws. The energy efficiency, robustness of the method (against uncertainties and changes in Re_τ), and the impact of control actions on turbulent structures will be analyzed. To prevent a drop in drag reduction performance with increasing Re_τ —linked to the growing influence of large-scale outer structures in the logarithmic layer on near-wall turbulence —multiple sensor/actuator/controller triplets could be considered to address both small-scale near-wall turbulent structures and large-scale, low-frequency vortices.
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Début de la thèse : 01/10/
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Allocation doctorale AMX*
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