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Article Dans Une Revue FLOW: Applications of Fluid Mechanics (En ligne) Année : 2023

Receptivity of swept-aerofoil flows to small-amplitude wall roughness using a transfer function from wall displacements to induced velocity perturbations

Réceptivité des écoulements en flèche à une rugosité de paroi de faible amplitude à l'aide d'une fonction de transfert des déplacements de la paroi aux perturbations de vitesse induites

Résumé

The receptivity of a laminar boundary-layer flow to small-amplitude wall roughness is investigated on an ONERA-D swept aerofoil by introducing a dedicated transfer function from small-amplitude wall displacements to full-state velocity perturbations. The singular value decomposition of this operator for a given spanwise wavenumber provides optimal wall roughness and flow responses that maximise an input-output gain. At the most receptive spanwise wavenumber, the optimal response is a cross-flow mode associated with an optimal roughness located close to the attachment line and presenting a wavy shape with a wavevector nearly orthogonal to the external streamlines. The method therefore allows direct identification of the location and structure (chordwise and spanwise wavenumbers) of the most receptive roughness. For various given wall roughness shapes and locations (periodic or compact in the chordwise and/or spanwise directions), an approximation of the response based on the dominant optimal response is shown to accurately match the total response downstream of the roughness. The method therefore allows a straightforward computation of the response of the flow to any given small-amplitude roughness. Impact Statement The accurate prediction of laminar/turbulent transition on aircraft wings is of major importance for the design of future low-consumption aircraft. Low atmospheric turbulence rates favour transition triggered by unavoidable surface imperfections. Accurate and straightforward prediction of the flow response to a given wall roughness would pave the way to future shape optimisation or control strategies to efficiently delay transition. However, a general method that accounts for all possible instability mechanisms without any approximation (curvature and non-parallelism) is still lacking. This paper describes a new way to determine the properties of the most critical roughness and its associated response, and to calculate the perturbation amplitude triggered by any given low-amplitude wall roughness.
La réceptivité d'un écoulement laminaire de la couche limite à une rugosité de paroi de faible amplitude est étudiée sur une voilure balayée ONERAD en introduisant une fonction de transfert dédiée à partir de déplacements de paroi de faible amplitude vers des perturbations de vitesse à l'état complet. La décomposition de la valeur singulière de cet opérateur pour un nombre d'ondes dans l'envergure donné fournit des réponses optimales à la rugosité de la paroi et à l'écoulement qui maximisent un gain d'entrée-sortie. Au nombre d'ondes le plus réceptif, la réponse optimale est un mode d'écoulement transversal associé à une rugosité optimale située près de la ligne d'attache et présentant une forme ondulée avec un vecteur d'onde presque orthogonal aux lignes de courant externes. La méthode permet donc d'identifier directement l'emplacement et la structure (nombres d'ondes dans le sens de la corde et dans le sens de l'envergure) de la rugosité la plus réceptive. Pour diverses formes et emplacements de rugosité de paroi donnés (périodiques ou compacts dans les directions de la corde et/ou de l'envergure), une approximation de la réponse basée sur la réponse optimale dominante s'avère correspondre avec précision à la réponse totale en aval de la rugosité. La méthode permet donc un calcul simple de la réponse de l'écoulement à n'importe quelle rugosité de faible amplitude.
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DAAA2023-208-Receptivity-of-swept-aerofoil-flows-to-small-amplitude-wall-roughness-using-a-transfer-function-from-wall-displacements-to-induced-velocity-perturbations-Soumise.pdf (1.53 Mo) Télécharger le fichier
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Dates et versions

hal-04351310 , version 1 (18-12-2023)

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Citer

Euryale Kitzinger, Denis Sipp, Olivier Marquet, Estelle Piot. Receptivity of swept-aerofoil flows to small-amplitude wall roughness using a transfer function from wall displacements to induced velocity perturbations. FLOW: Applications of Fluid Mechanics (En ligne), 2023, 3, pp.E41. ⟨10.1017/flo.2023.35⟩. ⟨hal-04351310⟩
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