Étude et modélisation du phénomène de croissance transitoire
pour des couches limites incompressibles et compressibles
La détermination de la position de la transition laminaire/turbulent est un enjeu majeur de
l'aérodynamique moderne. De nombreuses expériences ont montré qu'au sein de couches limites
soumises à de fortes perturbations extérieures, le scénario classique de transition par ondes de Tollmien-
Schlichting n'est plus valide. Dans de telles conditions, les perturbations prennent la forme de modes de
Klebanoff plus communément appelés stries. Ces stries peuvent être amplifiées de façon transitoire et
déclencher une transition prématurée, dite Bypass, signifiant que la transition naturelle a été court-
circuitée. Le problème est qu'à l'heure actuelle, il n'existe pas de modèle permettant de prévoir cette
transition Bypass.
L'objectif de cette thèse est de proposer un critère de transition lorsque l'étude du mode de Tollmien-
Schlichting ne fournit plus de renseignements pertinents.
La première étape a consisté à déterminer les caractéristiques des stries les plus amplifiées dans une
couche limite bidimensionnelle compressible ; bien que cette approche fournisse des résultats cruciaux,
les stries ainsi calculées correspondent à un état optimum qui peut se révéler très éloigné de l'état
physique obtenu expérimentalement. L'étape suivante a donc consisté à mettre en place un modèle,
s'appuyant sur la théorie des perturbations optimales, permettant de prévoir la transition Bypass au sein
de couches limites soumises à un environnement extérieur fortement perturbé. L’application du modèle à
des couches limites soumises à une forte turbulence extérieure ou se développant sur des parois
rugueuses a fournit des résultats pertinents au regards des valeurs expérimentales existantes.
Mots clés : Couche limite, transition Bypass, modes de Klebanoff, stries, croissance transitoire,
turbulence extérieure, défauts de surface, rugosités.
Studying and modelling of transient growth phenomenon
for incompressible and compressible boundary layers
Determination of the laminar/turbulent transition location is a major task of numerical aerodynamic. Many
experiments have demonstrated that inside boundary layers subjected to high external disturbances the
classical transition scenario involving the Tollmien-Schlichting waves is no longer valid. In such
circumstances, perturbations take the form Klebanoff modes commonly named streaks. These streaks can
be amplified in a transient way and trigger an early Bypass transition, meaning that the natural one has
been short-circuited. The problem is that up to now there is no model to predict Bypass transition.
This thesis aims at developing a transition criterion when the TS wave theory stops being relevant.
The first step has consisted in numerically determine the characteristics of the most amplified streaks for
a two-dimensional compressible boundary layer. Nonetheless, even-though this approach provides
decisive results, the computed streaks correspond to an optimum state with may be different from the
physic state experimentally observed.
The following step has thus consists in developing a model, based on optimal perturbation theory, able to
predict the Bypass transition induced by high external disturbances. Model computations concerning
boundary layers subjected to high free-stream turbulence or developing on walls characterised by surface
defaults provide relevant results compared to existing experimental values.
Key-words : Boundary layer, Bypass transition, Klebanoff modes, streaks, transient growth, free-stream
turbulence, surface defaults, roughness elements.
THÈSE
En vue de l'obtention du
D
DO
OC
CT
TO
OR
RA
AT
T
D
DE
E
L
L’
’U
UN
NI
IV
VE
ER
RS
SI
IT
TÉ
É
D
DE
E
T
TO
OU
UL
LO
OU
US
SE
E
Délivré par l’Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace
Spécialité : Électronique spatiale
Présentée et soutenue par Renaud DURAND
le 6 décembre 2007
Modélisation des effets de dose dans les circuits intégrés
en environnement spatial
JURY
M. Pierre Magnan, président du jury
M. Jean-Luc Autran, rapporteur
M. Jérôme Boch
M. Jean-Pierre David, directeur de thèse
M. Jean-Luc Leray, rapporteur
M. Gérard Sarrabayrouse
École doctorale : Génie électrique, électronique, télécommunications :
du microsystème au système
Unité de recherche : Équipe d’accueil SUPAERO-ONERA Physique Spatiale
(ONERA-DESP, centre de Toulouse)
Directeur de thèse : M. Jean-Pierre David