Helicopter performance is greatly influenced by its drag. Pylons, fuselage, landing gear, and especially the rotor hub of a helicopter experience large separated flow regions, even under steady level flight conditions the vehicle has been designed for, contributing to the helicopter drag. Several passive and active flow control concepts have been studied for reducing helicopter drag. While passive flow control methods reduce drag, they do so at one optimized design condition. Therefore, passive drag reduction methods may not work for helicopters that operate under widely varying flight conditions. Active flow control (AFC) methods overcome this disadvantage and consequently are widely being pursued. The present investigator has studied some of these AFC methods using computational fluid dynamics (CFD) techniques and has found synthetic (or pulsed) jets as one of the more effective drag reduction devices. Two bluff bodies, representative of helicopter components, have been studied and the mechanism behind drag reduction has been analyzed. It was found that the increase in momentum due to the jet, and a resultant reduction in the separated flow region, is the main reason for drag reduction in these configurations. In comparison with steady jets, synthetic jets were found to use less power for a greater drag reduction. The flow inside these synthetic jet devices is incompressible. It is computationally inefficient to use compressible flow solvers in incompressible regions. In such regions, using Lattice Boltzmann equations (LBE) is more suitable compared to solving the incompressible Navier-Stokes equations. The length scales close to the synthetic jet devices are very small. LBE may be used to better resolve these small length scale regions. However, using LBE throughout the whole domain would be computationally expensive since the grid spacing in the LBE solver has to be of the order of the mean free path. To address this need, a coupled Lattice Boltzmann-Navier-Stokes (LB-NS) methodology has been developed. The LBE solver has been successfully validated in a standalone manner for several benchmark cases. The solver has also been shown to be of second order accuracy. This LBE solver has been subsequently coupled with an existing Navier-Stokes (NS) solver. Validation of the coupled methodology has been done for analytical problems with known closed form solution. This LB-NS methodology is further used to simulate the flow past a cylinder where synthetic jet devices have been used to reduce drag. The LBE solver is used in the cavity of the synthetic jet nozzle while the NS solver is employed in the rest of the domain. The cylinder configuration was chosen to demonstrate drag reduction on helicopter hub shape geometries. Significant drag reduction is observed when synthetic jets are used, compared to the baseline no flow control case.

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<p>This thesis investigates the characteristics of a long aspect ratio synthetic jet actuator and its application for the active control of the vibrations of the downstream cylinder in a tandem cylinder arrangement.</p> <p>A long aspect ratio synthetic jet is produced through an axial slit along part of the length of a cylinder. The jet is excited acoustically by a pair of loudspeakers mounted at the cylinder terminations. The study compares between the performance of two different slits with aspect ratios of 273 and 773. The comparison is based on the spanwise distribution of the mean jet velocity and phase between the jet velocity fluctuations and the excitation signal. Three different frequencies and amplitudes are used to excite the speakers covering the range of frequencies used in the control application.</p> <p>For both cases studied the mean centerline velocity of the jet increases with increasing the amplitude of the exciting signal, but decreases with increasing its frequency. Moreover, velocity deficits of up to 30% are evident as the midspan of the cylinder is approached from either end. Similar trends are also observed for the centerline phase distributions of the velocity fluctuations, with deficits of up to 130°. However, it is observed that for the long slit case the deficits in both the velocity and phase distributions are much larger than those for the short one.</p> <p>The synthetic jet is then mounted in the upstream cylinder of a tandem cylinder arrangement to be used as a control actuator for controlling the vibrations of the downstream cylinder. A simple feedback control mechanism is used at a Reynolds</p> <p>number of about 6.3x104. This Reynolds number corresponds to the case where the iii</p> <p>downstream cylinder’s response is dominated with two frequency components, one at the resonance frequency of the cylinder, which is excited by broadband turbulence in the flow, and the other at the vortex shedding frequency. Both slits studied for the characterization experiments are used to compare their performance as control actuators.</p> <p>Both jets produce comparable reductions in the vibration of the downstream cylinder. A reduction of about 20% in the total RMS amplitude of the vibrations signal is achieved. This amounts to a reduction of about 50% in the resonant peak and an average value of about 40% in the vortex shedding peak. The optimal values of gain and time lag of the controller are then used to investigate the effect of the jet on the flow. It is found that the short slit jet produced an effect that was traced up to 1.875 diameters downstream, while the effect of the long slit jet dropped dramatically very close to the upstream cylinder.</p> / Master of Applied Science (MASc)

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der analytischen Modellierung und Optimierung synthetischer Jet-Aktuatoren, welche zur aktiven Strömungsbeeinflussung genutzt werden können. Ein in der Literatur bekanntes eindimensionales Modell wird ausführlich hergeleitet und an gemessene Geschwindigkeitsspektren verschiedener Jet-Aktuatoren angepasst. Der Einfluss jedes Modellparameters wird separat untersucht. Außerdem wird ein empirischer Zusammenhang zwischen Membranresonanzfrequenz und Luftkammervolumen angegeben, mit dessen Hilfe synthetische Jet-Aktuatoren mit größtmöglichen Strömungsgeschwindigkeiten durch die Düse konstruiert werden können.

Le contrôle actif d’écoulement est actuellement étudié dans le but d’améliorer les performances aérodynamiques des véhicules aériens ou terrestres. La diminution de la traînée permettrait de réduire la consommation de carburants fossiles et donc l’émission des gaz à effet de serre des véhicules. Les actionneurs fluidiques sont utilisés comme dispositifs de contrôle depuis une quinzaine d’année. Le contrôle par jet synthétique semble être le plus adapté à une application sur un véhicule de série dans la mesure où l’actionneur ne doit pas être alimenté en fluide. Le travail présenté dans cette thèse combine l’expérimentation physique et la simulation numérique. Elle s’intéresse tout particulièrement au contrôle de l’écoulement autour d’un corps de Ahmed à culot droit à l’aide d’un actionneur de type jet synthétique. Les essais en soufflerie ont été essentiellement utilisés pour caractériser l’écoulement autour du corps de Ahmed et dans son sillage. L’écoulement autour de cette géométrie simplifiée de véhicule terrestre a été caractérisé par des pesées aérodynamiques, des mesures de pressions pariétales, des acquisitions des fluctuations de vitesse par anémomètrie à fil chaud et des mesures de champs de vitesse par Vélocimétrie par Images de Particules. Les grandeurs moyennes et instationnaires de l’écoulement ont ainsi pu être caractérisées. Les simulations numériques à l’aide du code de calcul elsA ont ensuite été réalisées sur une configuration similaire. Les résultats des simulations de l’écoulement non contrôlé ont été confrontés aux résultats expérimentaux. Dans le but d’agir sur la traînée, le contrôle à l’aide d’un actionneur de type jet synthétique a été réalisé sur la même géométrie. Les paramètres de contrôle tels que la quantité de mouvement, la fréquence d’actionnement et l’orientation des jets synthétiques ont été testés numériquement. Le contrôle à l’aide des paramètres testés, a entrainé une augmentation de la traînée qui est due à une réduction de la longueur de la zone de recirculation associée à une diminution de la pression pariétale au niveau du culot de la maquette. Il ressort de ce travail que le contrôle par jet synthétique à basse fréquence orienté selon le sens principal de l’écoulement semble être une voie à explorer. / Active flow control is currently studied in order to improve aerial or ground vehicle aerodynamics. Diminishing aerodynamic drag leads to a reduction of fuel consumption and so in greenhouse gas emissions of vehicles. Fluidic actuators have been used as control devices for about fifteen years. Considering the fact that the actuator does not need external fluid supply system, synthetic jet control seems to be the most suitable solution that can fit on production vehicles. This thesis combines experimental tests and numerical simulations. It tackles with the flow control around a square back Ahmed body with synthetic jet actuator. Wind tunnel tests have essentially been used to characterize the flow around and in the wake of the Ahmed body. Flow around this simplified geometry of ground vehicle has been characterized using hot wire anemometry, flush mounted pressure taps and two components Particular Image Velocimetry. The steady and unsteady features of the wake flow have thus been characterized. Simulations of this flow have been performed with the computation code elsA. Results of the simulations of the natural flow around the square back Ahmed body have been compared to experimental results. With a view to modifying the drag, flow control thanks to a synthetic jet actuator has been tested on a square back Ahmed body. Parameters of the flow control, such as momentum coefficient, actuation frequency and orientation of the synthetic jet have been numerically investigated. Results show a decrease of the circulation length leading to a diminution of the base pressure and hence to an increase of the drag. Flow control by using a low frequency with slots oriented along the mainstream seems to be a path to explore.

Les stratégies de contrôle d’écoulement, telles que le soufflage / aspiration, ont prouvé leur efficacité à modifier les caractéristiques d’écoulement à des fins diverses en cas de configurations usuellement simples. Pour étendre cette approche sur des cas industriels, la simulation de dispositifs à échelle réelle et l’optimisation des paramètres de contrôle s’avèrent nécessaires. L’objectif de cette thèse est de mettre en place une procédure d’optimisation pour résoudre cette catégorie de problèmes. Dans cette perspective, l’organisation de la thèse est divisé en trois parties. Tout d’abord, le développement et la validation d’un solveur d’écoulement turbulent compressible instationnaire, résolvant les équations de Navier-Stokes moyennées (RANS) dans le cadre d’une discrétisation mixte de type éléments finis / volumes finis (MEV) sont présentés. Une attention particulière est portée sur la mise en œuvre de modèles numériques de jet synthétique à l’aide de simulations sur une plaque plane. Le deuxième axe de la thèse décrit et valide la mise en œuvre d’une méthode d’optimisation globale basée sur un modèle réduit du type processus gaussien (GP), incluant une approche de filtrage d’erreurs numériques liées aux observations. Cette méthode EGO (Efficient Global Optimization), est validée sur des cas analytiques bruités 1D et 2D. Pour finir, l’optimisation de paramètres de contrôle de jet synthétique sur deux cas test pertinents pour les industriels : un profil d’aile NACA0015, avec objectif de maximiser la portance moyenne et une marche descendante avec objectif de minimiser la longueur de recirculation moyenne. / Active flow control strategies, such as oscillatory blowing / suction, have proved their efficiency to modify flow characteristics for various purposes (e.g. skin friction reduction, separation delay, etc.) in case of rather simple configurations. To extend this approach to industrial cases, the simulation of a large number of devices at real scale and the optimization of parameters are required. The objective of this thesis is to set up an optimization procedure to solve this category of problems. In this perspective, the organization of the thesis is split into three main parts. First, the development and validation of an unsteady compressible turbulent flow solver using the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) using a Mixed finite-Element/finite-Volume (MEV) framework is described. A particular attention is drawn on synthetic jet numerical model implementation by comparing different models in the context of a simulation over a flat plate. The second axis of the thesis describes and validates the implementation of a Gaussian Process surrogate model based global optimization method including an approach to account for some numerical errors during the optimization. This EGO (Efficient Global Optimization) method, is validated on noisy 1D and 2D analytical test cases. Finally, the optimization of two industrial relevant test cases using a synthetic jet actuator are considered: a turbulent flow over a NACA0015 for which the time-averaged lift is regarded as the control criterion to be maximized, and an incompressible turbulent flow over a Backward Facing Step for which the time-averaged recirculation length is minimized.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der analytischen Modellierung und Optimierung synthetischer Jet-Aktuatoren, welche zur aktiven Strömungsbeeinflussung genutzt werden können. Ein in der Literatur bekanntes eindimensionales Modell wird ausführlich hergeleitet und an gemessene Geschwindigkeitsspektren verschiedener Jet-Aktuatoren angepasst. Der Einfluss jedes Modellparameters wird separat untersucht. Außerdem wird ein empirischer Zusammenhang zwischen Membranresonanzfrequenz und Luftkammervolumen angegeben, mit dessen Hilfe synthetische Jet-Aktuatoren mit größtmöglichen Strömungsgeschwindigkeiten durch die Düse konstruiert werden können.:Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 2 Physikalische Grundlagen 2.1 Aufbau und Funktionsweise der betrachteten synthetischen Jet-Aktuatoren 2.2 Grundlagen aus der Mechanik 2.3 Grundlagen aus der Hydrodynamik 2.4 Analytisches Modell für synthetische Jet-Aktuatoren 3 Numerische Grundlagen 3.1 Zur Lösung von Differentialgleichungssystemen 3.2 Grundlagen der Optimierung 4 Beschreibung von Messdaten mit Hilfe des Modells 4.1 Reproduktion der Ergebnisse der Veröffentlichungen von Sharma 4.2 Anpassung des Modells an Messdaten weiterer Aktuatoren 5 Parametervariation und Optimierung 5.1 Separate Variation jedes Parameters 5.2 Brute-force-Optimierung von Luftkammervolumen und Membranresonanzfrequenz 6 Zusammenfassung und Ausblick Anhang Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung