Effets de la transition à la turbulence au sein d’une interaction onde de choc / couche limite

L’Union européenne s’est récemment fixée des objectifs à l’horizon 2020 en matière environnementale visant à réduire l’impact de l’aviation civile sur le changement climatique. Pour les atteindre, une réduction de la consommation en carburant des futurs avions commerciaux s’impose. Une solution adéquate consiste à développer des avions capables de voler à haute altitude où les conditions permettent l’utilisation de profils d’ailes laminaires. Ceux-ci permettent de réduire le frottement visqueux, principal contributeur à la traînée totale de l’avion. Cependant, aux vitesses transsoniques des avions en vol de croisière, apparait une interaction onde de choc couche limite décollée potentiellement fortement instationnaire. Ceux-ci aboutissent à des états de fonctionnements pénalisant les performances des aéronefs. Des risques identiques se manifestent également au niveau des aubes des turboréacteurs en fonctionnement dans un environnement similaire. C’est dans ce contexte qu’un programme de recherche européen (Transitional Location Effect on Shock Wave Boundary Layer Interaction) regroupant 12 laboratoires européens dont l’IUSTI a été mis en place.
L’étude de ce problème est entreprise à l’IUSTI en choisissant une configuration académique consistant en une plaque plane sur laquelle se développe une couche limite laminaire. Une onde de choc créée extérieurement à la couche limite vient interagir avec celle-ci. L’avantage de ce type de géométrie est sa simplicité de mise en œuvre tout en renfermant la physique de l’écoulement. Un schéma de l’interaction est présenté à la figure ci-dessous. L’onde de choc incident provoque le décollement de la couche limite amont au niveau du point D. Elle recolle ensuite au point R, formant ainsi le bulbe de décollement. Celui-ci en couplage avec les ondes de compression émanant du point de décollement oscille à une fréquence, qualifiée de basse en comparaison avec les fréquences les plus énergétiques de la couche limite amont.

Schéma de l’interaction onde de choc couche limite laminaire

L’étude de l’IOCCL a consisté en la caractérisation de son organisation spatiale, notamment de la longueur d’interaction définie comme la distance à la paroi séparant le choc incident aux ondes de compression issues du point de décollement. Cette caractéristique spatiale dépend naturellement de l’intensité du choc incident. Cependant, on note une faible dépendance au nombre de Reynolds. Un autre paramètre qui nous est apparu d’une importance critique est le niveau de bruit à l’intérieur de la couche limite amont, et qui pénètre au sein de l’interaction. Son influence peut se mesure à la comparaison des figures 3 et 4, où est représentée l’amplification fréquentielle des fluctuations mesurées le long de l’interaction. Les différentes mesures qui sont montrées sur ces figures sont effectuées en amont (J), au milieu des ondes de compression (P) et en aval de ces derniers (K et Q). Dans un cas (figure3), l’écoulement est étudié naturellement, et dans l’autre cas (figure 4), on modifie le niveau des perturbations amont à l’aide d’une marche de faible épaisseur, apposée à la paroi, en amont de l’interaction. L’observation montre que dans cette dernière configuration les fluctuations sont largement plus importantes que dans le cas naturel. En particulier le domaine d’oscillation des ondes de compression est plus élevé.

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