Experiments were performed to document the turbulent flowfield produced downstream of an airfoil encountering an intense streamwise vortex. This type of perpendicular airfoil--vortex interaction commonly occurs in helicopter rotor flows. The experiments presented here thus provide useful information for the prediction of helicopter noise, particularly BWI noise. Three-component velocity and turbulence measurements were made in unprecedented detail using a computerized miniature four-sensor hot-wire probe system; revealing much about the structure and behavior of this flow over a range of conditions. The interaction between the vortex and the airfoil wake leaves the vortex surrounded by a large region of intense turbulence unlike the turbulence surrounding an isolated vortex. Even for close separations, the vortex core passes the airfoil virtually unchanged. However, vorticity of opposite sign is shed by the airfoil in response to the angle of attack distribution induced by the vortex resulting in an unstable circulation distribution according to Rayleigh's criterion. Simple theoretical models adequately describe the shed vorticity distribution of the airfoil and the unstable circulation distribution it imparts on the vortex. As the flow develops, the vortex continuously distorts the airfoil wake. The strain rates imparted by the vortex on the spanwise vorticity contained in the airfoil wake result in an anisotropic, turbulence producing stress field. For several chord lengths downstream, the vortex core remains laminar and little change is seen in the unstable circulation distribution. While the vortex core is laminar, turbulent fluctuations measured in the core are the result of inactive wandering motions and the characteristic length and velocity scales of the flat portion of the vortex wake appear to be appropriate scales for the fluctuations. Eventually, the vortex core becomes turbulent as indicated by an increase in high frequency velocity fluctuation levels of more than an order of magnitude. Subsequently, the circulation distribution reorganizes to a stable distribution. A loss in core circulation occurs due to a decrease in the peak tangential velocity which is proportionately larger than the increase in the vortex core radius. The peak tangential velocity decreases to the point where it is exceeded by the axial velocity deficit---another unstable situation. These effects increase with decreased separation between the vortex and the airfoil, but appear to be largely independent of airfoil angle of attack an only weakly dependent upon vortex strength. / Ph. D.

Le développement du trafic aérien autour des agglomérations est limité notamment par les nuisances sonores qu'il engendre. Il est donc indispensable de parvenir à comprendre l'origine de ces phénomènes afin d'en réduire les effets. Les hélicoptères, qui sont amenés à survoler les agglomérations à basse altitude, font ainsi l'objet de nombreuses études. Le but principal de notre étude est de développer des méthodes numériques permettant d'évaluer le rôle des instabilités elliptiques de tourbillons dans la production du BWI. La première partie de cette thèse s'intéresse aux caractéristiques du bruit produit par l'interaction d'une pale avec un tourbillon instable. Pour ce faire, une simulation des instabilités elliptiques se développant dans une paire de tourbillons analytiques corotatifs parallèles rectilignes uniformes est d'abord réalisée. Ensuite, un outil numérique, basé sur la théorie d'Amiet, est développé pour obtenir les perturbations de pression sur pales issus d'une interaction entre une pale et le tourbillon instable. Un bon accord est trouvé entre ces résultats et les données expérimentales. Dans une deuxième partie nous nous intéressons à l'influence des caractéristiques géométriques du tourbillon d'extrémité de pale jeune isolé (coeur du tourbillon elliptique, trajectoire courbe) sur le développement des instabilités elliptiques. Pour cela le profil d'un tourbillon d'extrémité de pale a été calculé au moyen du code volumes finis. Une étude linéaire a ensuite été menée en considérant cette solution comme champ porteur, au moyen d'une méthode Euler linéarisée harmonique développée et validée au cours de cette thèse.

Memoria para optar al título de Ingeniera Civil de Minas / El presente trabajo se enmarca en un convenio entre el laboratorio ALGES de la Universidad de Chile, en conjunto con la empresa BHP Billiton. Los datos utilizados corresponden a Minera Escondida Ltda., operada por BHP Billiton. El objetivo principal es la elaboración de un modelo, mediante cokriging, para el sector Escondida , en el que se caracterice el parámetro dureza , considerando las tres variables asociadas: SAG Power Index (SPI), Work Index de Bond (BWi) y Ensayo de Carga Puntual (PLT, medido por el índice Is50). Por una parte, se tiene el modelo de bloques, con información de atributos geológicos. Por otro lado, se tienen los datos de dureza. Existen dos sets de datos: uno corresponde a los índices SPI y BWi, tomados sobre un soporte de 16m; y el otro conjunto de datos corresponde a resultados de PLT, en soporte de 1,5m, y con una densidad de muestreo mayor en profundidad. Las unidades de estimación para Escondida se definen según las alteraciones, que son tres: Cuarzo-sericita-arcilla (1-QSC), Clorita-sericita-arcilla (2-SCC) y Potásica (3). Al estudiar la correlación de la variable PLT con las otras dos, los resultados son desfavorables, lo que se ve acentuado por la existencia de datos muy extremos y discontinuidades a pequeña escala, además de ser esperable dado que el ensayo PLT mide respuesta a la compresión, mientras que SPI y BWi miden impacto y abrasión. Se realiza entonces, un cokriging sólo con SPI y BWi, que presentan buena correlación entre sí. PLT se aplica sólo para definir dos dominios, según un valor umbral de 1,8; debido a que en la planta de proceso se ha determinado que esta distinción es importante. El cokriging se efectúa en base a los datos residuales, los que se calculan sustrayendo la media local, obtenida por kriging de tendencia, a los datos. Se aplica cokriging simple con media cero. Una vez estimados los residuos, se suma la media en cada nodo y se obtiene la estimación final. La validación del modelo obtenido se hace mediante comparación estadística, gráficos de deriva espacial, y visualizaciones 2D. Se ve que la diferencia entre la media de los bloques estimados y la media de los datos, en general es más baja para el dominio PLT<1,8 . La menor precisión de los resultados con respecto a los datos para PLT mayor , se ve también en los gráficos de deriva. Esto puede deberse a que los datos de PLT menores y mayores al umbral están bastante entremezclados, por lo que finalmente hay varios datos de PLT mayor que quedan dentro del dominio PLT menor . Por el contrario, la tendencia espacial de las variables estimadas es fiel a la de los datos para el dominio de menor PLT. No obstante, en todos los casos se ve que la tendencia a lo largo del eje Z logra ajustarse bastante bien. La principal conclusión, es que los modelos estimados permiten tener una clara noción de cómo varían en el espacio los índices de dureza SPI y BWi, en especial a través de Z. Sin embargo, los resultados son menos confiables en profundidad, dado que, en esta zona, reproducen fundamentalmente los modelos de tendencia. Por otra parte, se pierde información relativa a valores extremos, en especial para SPI, pues el cokriging a partir de residuos tiende a concentrar los resultados en torno a la media. La principal ventaja del trabajo realizado reside en la abundante cantidad de datos; sin embargo, esto se contrasta con poca información en lo que respecta a la caracterización geológica y la comprensión del proceso en la planta. / Laboratorio ALGES Universidad de Chile - BHP Billiton