Interaction Onde de choc – couche limite

On sait que les interactions onde de choc couche limite sont le siège de pulsations à basse fréquence importante lorsqu’il y a décollement de couche limite. Ces instationnarités sont particulièrement gênantes pour l’aérodynamique interne des réacteurs et des prises d’air supersoniques : elles sont cause de perte d’efficacité et source de fatigue mécanique pour les structures. Les travaux effectués à l’IUSTI visent à identifier l’origine de ces pulsations basse fréquence. On peut distinguer trois domaines fréquentiels principaux :

  • un domaine à haute fréquence correspondant à la turbulence de la couche limite initiale (voir figure ci-dessous),
  • un domaine à plus basse fréquence correspondant aux modes caractéristiques du décollement,
  • et un troisième domaine à très basse fréquence correspondant aux battements de l’onde de choc.

Ce troisième domaine correspond à des fréquences de deux ordres de grandeur inférieures à celui de la couche initiale. Dans ces conditions, il semble difficile d’attribuer les mouvements du choc à la turbulence incidente. On trouve cependant que l’on peut construire à partir de cette fréquence un nombre de Strouhal variant peu avec l’intensité du choc, et que les fréquences mises en jeu et les nombres de Strouhal correspondant dans le décollement s’organisent selon trois zones, comme en décollement subsonique : zone initiale avec développement de couche de mélange, zone centrale de saturation, zone d’émission de tourbillons. Les valeurs prises par ces nombres de Strouhal dépendent cependant de la géométrie et du nombre de Mach. Des mesures par PIV ont révélé le caractère tridimensionnel de l’interaction, avec formation de tourbillons-trombes placé en envergure de part et d’autre de l’axe de symétrie de la tuyère. Un aspect devant être examiné est l’influence de tels tourbillons sur les fréquences de battement du choc.

Spectres de fréquence de la pression pariétale dans une réflexion de choc. X est l’abscisse longitudinale, X0 est la position moyenne du choc réfléchi. L est sensiblement la longueur du décollement. Dans la couche limite amont (non représentée), les fréquences énergétiques sont supérieures à 30kHz. La figure montre que les battements du choc se font à quelques centaines de Hertz.

Lignes de courant dans le décollement obtenues par PIV. La figure montre le champ de vitesse dans un plan parallèle à la paroi, et proche de cette dernière. On remarque la courbure de la ligne de vitesse nulle (ligne rouge), ainsi que des points de focalisation des lignes de courant correspondant à des tourbillons trombe.