Prediction of turbulence generated by non-homogeneous grids for applications to experimental atmospheric boundary layer generation
Prédiction de la turbulence généré par des grilles multi-échelles inhomogènes pour produire une couche limite atmosphérique en soufflerie
Résumé
Wind tunnel generation of flows representative of the Atmospheric Boundary Layer (ABL) still requires trial-and-error based design process for both passive and active devices. To address this issue, a new type of passive grids – Multiscale Inhomogeneous Grids (MIGs) — is presented. It takes advantage of obstruction variations and interacting wakes to tailor both mean flow profile and turbulent intensity profiles downstream of the grid.
The present work derives theoretical models in order to predict the MIG-generated flows characteristics (mean velocity, turbulence intensities, integral length scales profiles), especially for applications to neutral atmospheric boundary layer. These prediction models are investigated experimentally downstream of MIGs using Hot-Wire Anemometry within the SCL-PIV subsonic wind tunnel at ONERA Lille (Section H×W = 290mm ×300mm, velocities up to 30 m/s).
First, the mean velocity profile prediction, based on McCarthy (1954), is validated and applied successfully with MIGs to generate logarithmic mean profiles for two equivalent roughness length h0 (up to h0⁄H=0.001).
A theoretical turbulence model is then derived based on the Turbulent Kinetic Energy (TKE) equation in the turbulence decaying region. Empirical models are suggested to close the main model, enabling a turbulence-based grid design.
La génération en soufflerie d'écoulements représentatifs de la Couche Limite Atmosphérique (CLA) requiert encore aujourd'hui l'utilisation de méthodes de design par essai-erreur, à reproduire pour toutes nouvelles installations et toutes nouvelles configurations souhaitées. Pour tenter de réduire cette difficulté, un nouveau type de grilles passives – les grilles multi-échelles inhomogènes (MIGs) – est proposé. Elles tirent parti d'une variation d'obstruction locale et d'interactions entre sillages pour controler à la fois le champs moyens et l'intensité turbulente en aval de grille.
Le travail actuel décrit plusieurs modèles théoriques permettant une prédiction des caractéristiques des écoulements en aval de MIGs (profil de champs moyen, d'intensité turbulente et d'échelles intégrales), en vue d'une application à la génération de conditions atmosphèriques (CLA neutre). Ces modèles sont comparés à des mesures réalisés en soufflerie par Hot-Wire Anemometry (HWA) dans la soufflerie SCL-PIV de l'ONERA Lille (Section H×W = 290mm ×300mm, velocities up to 30 m/s).
Tout d'abord, les prédictions de champs moyens, basées sur le modèle de McCarthy (1954), sont bien validés et appliqués avec succès pour permettre la génération de profil logarithmique pour deux longueurs de rugosités h0 différentes (jusqu'à h0/H=0.001).
Un modèle d'évolution aval de la turbulence générée est ensuite développé, basé sur l'équation de l'énergie cinétique turbulente, pour décrire la région de déclin de turbulence. Des modèles empiriques sont enfin suggérés pour clore le modèle principale et ainsi permettre un design de grille pour un profil de turbulence souhaité.
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