• Langue : Français
• Discipline : Mécanique des milieux fluides
• Identifiant : 2025ULILN034
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 12/12/2025

Résumé en langue originale

Cette recherche porte sur la dynamique des tourbillons marginaux générés dans les sillages d'avions. Ces tourbillons sont impliqués dans les enjeux de sécurité aérienne (turbulences de sillage) et de l'impact environnemental de l'aviation civile, du fait de leurs interactions avec les traînées de condensation. L'évolution de ces tourbillons dépend fortement des conditions aérologiques dans l'atmosphère. On s'intéresse plus précisément dans ces travaux à l'influence de turbulence ambiante et de la stratification. Ces deux effets sont ici étudiés par deux travaux distincts, de nature expérimentale, qui constituent, ensemble, l'objet de ce manuscrit.Pour étudier l'effet de la turbulence, on utilise une expérience dans le tunnel hydrodynamique de l'ONERA Meudon. Un tourbillon marginal est généré par une aile placée dans l'écoulement, à un nombre de Reynolds égal à 5000, et baigné dans des différents niveaux d'intensité de la turbulence amont, obtenus par des grilles de turbulence. Le faible nombre de Reynolds a pour conséquence un comportement particulier du tourbillon, que l'on étudie plus en détail. Des mesures PIV révèlent un effet combiné de l'aérodynamique de l'aile, marquée par un décollement sur l'extrados dû à la faible inertie de l'écoulement, et de la turbulence amont.Les résultats montrent que l'amplitude du flottement tourbillonnaire augmente avec la distance en aval, mais varie de façon non monotone avec le niveau de turbulence amont. Cette évolution s'explique par la compétition entre les deux effets antagonistes et intriqués : le décollement sur l'aile et la turbulence amont. La turbulence réduit le niveau de décollement, réduisant l'effet de cette dernière sur le mouvement du tourbillon mais augmentant par là même l'effet déstabilisant de la turbulence libre sur le tourbillon, déjà caractérisée dans de nombreuses autres études sur le phénomène de flottement tourbillonnaire. Les deux dynamiques diffèrent aussi au niveau de la fréquence résultant des fluctuations du tourbillon. En l'absence de grille, l'énergie du flottement est concentrée autour d'un nombre de Strouhal basé sur la corde de 0,1. En présence de turbulence générée par grille, cette bande d'énergie se déplace vers des fréquences plus élevées, centrées autour de 0,6.Le second dispositif, développé à l'ONERA Lille, examine l'effet d'une stratification verticale stable sur une paire de tourbillons contrarotatifs générés par deux volets immergés dans une cuve d'eau stratifiée en salinité. L'instabilité de Crow, dont l'étude en milieu stratifié constitue l'objectif principal de ces travaux, est déclenchée par une ondulation sinusoïdale imposée sur les bords de fuite. Cette configuration permet une étude paramétrique pour différentes intensités de stratification, exprimées par la grandeur adimensionnée N*=N??, où N est la fréquence de Brunt-Väisälä et ?? le temps caractéristique des tourbillons. L'évolution des tourbillons est documentée par visualisations par colorant et mesures PIV dans des plans transverses.Les résultats montrent que la stratification modifie significativement le comportement de la paire de tourbillons. Aux temps courts (t/???2), la force de flottabilité s'oppose au mouvement descendant, ralentissant la descente. Dans le même temps, la stratification génère une vorticité barocline aux interfaces de densité à la frontière de l'oval de Kelvin, accélérant le rapprochement des tourbillons. À des temps plus longs (t/???2,5), l'instabilité de Crow se développe, déformant fortement les axes tourbillonnaires jusqu'à la reconnexion et à la formation d'anneaux. En favorisant ce rapprochement, la stratification intensifie les interactions visqueuses entre les cœurs, entraînant une dissipation accrue de la vorticité et une décroissance accélérée de la circulation et du rayon. Cette accélération renforce aussi le développement de l'instabilité de Crow, augmentant son taux de croissance adimensionné ??? d'environ 44% entre N*=0 et N*=0,69.

Résumé traduit

This research focuses on the dynamics of wingtip vortices generated in aircraft wakes. These vortices are involved in issues of flight safety (wake turbulence) and the environmental impact of civil aviation, due to their interactions with condensation trails. The evolution of these vortices strongly depends on the atmospheric conditions, particularly ambient turbulence and stratification. These two effects are investigated here through two distinct experimental studies, which together form the core of this work.To study the effect of turbulence, an experiment was conducted in the ONERA Meudon water tunnel. A wingtip vortex is generated by a wing placed in the flow at a Reynolds number based on the chord of 5000 and exposed to various levels of upstream turbulence intensity, produced by turbulence grids. The low Reynolds number results in a specific behavior of the vortex, which is analyzed in detail. PIV measurements reveal a combined effect of the wing aerodynamics-characterized by a separation on the upper surface due to the low inertia of the flow-and the incoming turbulence.The results show that the amplitude of the vortex meandering increases with downstream distance but varies non-monotonically with the level of upstream turbulence. This behavior results from the competition between two coupled and opposite effects: the flow separation on the wing and the incoming turbulence. Turbulence reduces the separation, thus weakening its influence on the vortex motion, but simultaneously enhances the destabilizing effect of free-stream turbulence, as already observed in several studies on vortex meandering. The two dynamics also differ in frequency: without a grid, the energy of the meandering is concentrated around a chord-based Strouhal number of 0.1, whereas in the presence of grid-generated turbulence, it shifts toward higher frequencies around 0.6.The second experimental setup, developed at ONERA Lille, examines the effect of a stable vertical stratification on the evolution of a counter-rotating vortex pair generated by two flaps immersed in a salt-stratified water tank. The Crow instability, whose development in a stratified environment is the main objective of this study, is triggered in a controlled manner by imposing a sinusoidal perturbation on the flap trailing edges. This configuration enables a parametric study for different stratification intensities, characterized by the dimensionless number N* = N ??, where N is the Brunt-Väisälä frequency and ?? the characteristic timescale of the vortex pair. The vortex evolution is documented through dye visualizations and PIV measurements in transverse planes.The results show that stratification significantly modifies the behavior of the vortex pair. At early times (t/?? ? 2), the buoyancy force opposes the downward motion, slowing the descent. At the same time, stratification generates baroclinic vorticity at density interfaces near the boundary of the Kelvin oval, which accelerates the mutual approach of the vortices. At later times (t/?? ? 2,5), the Crow instability develops, causing strong deformation of the vortex axes, followed by vortex reconnection and the formation of vortex rings. By promoting this faster approach, stratification enhances viscous interactions between the vortex cores, leading to increased vorticity dissipation and a faster decay of circulation and core radius. This acceleration also strengthens the development of the Crow instability, increasing its dimensionless growth rate alpha·tau0 by about 44% between N* = 0 and N* = 0.69.