Etude du tremblement transsonique. Evolution des profils bidimensionels aux voilures tridimensionelles

The transonic buffet is a complex aerodynamic instability which appears on wings and aerofoils in high subsonic regime for certain values of Mach number and angle of attack. The aim of the present study is to improve the understanding of the flow physics behind the instability and, in particular, to explain the evolution of the transonic buffet phenomenon from two-dimensional aerofoils to three-dimensional swept wings.First the work by Crouch et al. (2007, 2009) has been reproduced. Then, the two-dimensional transonic buffet is analysed to highlight the zones of the flow necessary for the persistence of the instability. The study has been conducted numerically through the coupling between two techniques based on different approaches: linear stability analysis and numerical simulations. The two different approaches give the same results: the shock foot is identified as the core of the instability, the shock and the detached boundary layer are also necessary zones. In order to outline the differences between two-dimensional and three-dimensional buffet, the analysis and comparison of four different experimental databases of three-dimensional wings is performed. The experimental analysis identifies the characteristic values of the buffet phenomenon such as Strouhal numbers, convection velocities, buffet onset etc. Three-dimensional buffet exhibits different characteristics in comparison with the two-dimensional one: higher Strouhal number, bump instead of peak in the power spectral density, lower shock amplitude oscillation and three-dimensional patterns in the detached boundary layer which are convected outboard. These differences suggest different physical mechanisms.Finally a three-dimensional global stability analysis of a wing is performed. The two and three-dimensional buffet phenomena appear as two different unstable modes in the spectrum. The phenomenon called in the literature three-dimensional transonic buffet corresponds to a "detached boundary" cells convection phenomenon with a zero-frequency unstable global mode, which becomes unsteady with the addition of sweep.Le tremblement transsonique est une instabilité aérodynamique complexe qui apparaît sur les ailes et les profils en régime haut-subsonique pour certaines valeurs du nombre de Mach et de l’angle d’attaque. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension de la physique de ce phénomène et, en particulier, d'expliquer l'évolution de ces caractéristiques (fréquence, amplitude d’oscillation) des profils bidimensionnels aux ailes tridimensionnelles en flèche. L’étude commence par la reproduction du travail de Crouch et al. (2007, 2009). Ensuite, le tremblement transsonique bidimensionnel est analysé pour mettre en évidence les zones de l’écoulement nécessaires à l’existence de l’instabilité. Cette étude a été menée numériquement en couplant deux techniques basées sur des approches différentes : l’analyse de stabilité linéaire et la simulation numérique. Ces deux approches aboutissent aux mêmes résultats : le pied du choc est identifié comme le cœur de l'instabilité, le choc et la couche limite détachée sont également des zones nécessaires à l’existence de l’instabilité. Afin de souligner les différences entre le tremblement bidimensionnel et tridimensionnel, une analyse de quatre bases des données expérimentales d’ailes tridimensionnelles est accomplie. L'analyse expérimentale identifie les valeurs caractéristiques du phénomène, telles que les nombres de Strouhal, les vitesses de convection, le seuil d’apparition du tremblement etc. Le tremblement tridimensionnel possède des caractéristiques différentes du tremblement bidimensionnel : nombre de Strouhal supérieur, bosses au lieu de pics sur la densité de puissance spectrale, amplitude d’oscillation du choc plus faible et motifs tridimensionnels dans la couche limite détachée qui sont convectés en envergure. Ces différences suggèrent des mécanismes physiques distincts. Enfin, une analyse de la stabilité globale en trois dimensions d'une aile est effectuée. Le tremblement bi et tridimensionnel apparai comme deux modes instables différents dans le spectre. Le phénomène appelé dans la littérature tremblement transsonique tridimensionnel correspond en fait à un phénomène de convection de cellules de "couche limite détachée" avec un mode global instable à fréquence nulle devenant instationnaire avec l’augmentation de l’angle de flèche