Stability analysis of time-periodic wake flows generated by flapping wings Mots-clés en anglais

Stabilité d’écoulements de sillages périodiques générés par des ailes battantes

Damien Jallas (1, 2)

1 IMFT - Institut de mécanique des fluides de Toulouse
2 ONERA, Université Paris Saclay (COmUE) [Meudon]

The thesis investigates numerically the stability of time-periodic wake flows generated by flapping wings and aims at explaining three phenomena that have been observed experimentally or simulated numerically : (i) the deviation of propulsive wakes behind a flapping wing with zero mean angle, (ii) the quasi-periodic flows around flapping wings with non zero mean angle, and (iii) the self-propulsion of heaving symmetric wings in a quiescent fluid. All these phenomena are related to the existence of instabilities of timeperiodic base flows. Original methods are developed to compute unstable time-periodic flows that satisfy the spatio-temporal symmetries imposed by the wings kinematics. The stability analysis of these time-periodic base flows are then determined by computing the Floquet multiplier and corresponding modes. In addition to the linear stability analysis, the knowledge of time-periodic base flows allows to investigate the non-linear saturation of these perturbations. In each case, the influence of the instabilities developing in the wake-flows on the flapping wing performances are discussed.

La thèse porte sur l'étude numérique de la stabilité d'écoulements de sillages périodiques en temps générés par des ailes battantes. Elle vise à expliquer trois phénomènes observés expérimentalement et simulés numériquement : (i) la déviation du sillage propulsif d'une aile battante en incidence nulle, (ii) les écoulements quasi-périodiques autour d'ailes battantes en incidence non nulle, et (iii) l'auto-propulsion d'ailes battantes symétriques dans des fluides au repos. Tous ces phénomènes sont reliés à l'existence d'instabilités de l'écoulement fluide autour de l'aile. Plusieurs méthodes originales ont été développées pour calculer les champs de base périodiques instables qui satisfont les symétries spatio-temporelles imposées par la cinématique des ailes. La stabilité de ces écoulements de sillages périodiques a ensuite été étudiée au moyen d'une analyse de Floquet. En plus de ces analyses linéaires, la connaissance des champs de base périodiques permet l'étude de la saturation non linéaire des instabilités rencontrées. Dans chaque cas, ces résultats permettent de discuter les effets observés sur les performances aérodynamiques des ailes battantes.

Mots clés: Flapping wings; Fluid-structure interactions; Floquet stability; Symmetries

Mots clés: Ailes battantes; Interaction fluide/structure; Stabilité de Floquet; Symétries

Domaines: Mécanique des structures [physics.class-ph]

Damien Jallas. Stabilité d’écoulements de sillages périodiques générés par des ailes battantes. Mécanique des structures [physics.class-ph]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2018. Français. ⟨NNT : 2018TOU30322⟩. ⟨tel-02475948⟩