Dissertations / Theses on the topic 'Instabilité pariétale'

L'objectif de cette thèse est de permettre une meilleure compréhension du mécanisme physique supposé être à la source d'un couplage aéroacoustique survenant dans les moteurs à propergol solide tels que ceux du lanceur Ariane 5. Le phénomène est une instabilité, dite "pariétale", particulière aux écoulements en conduite induits par injection pariétale. Des analyses linéaires sont d'abord menées sur une solution analytique auto-semblable des équations d'Euler qui indiquent la présence d'ondes instables convectives spatialement amplifiées vers l'aval selon un mécanisme non visqueux lié à la courbure des lignes de courant. Les résultats sont favorablement comparés à ceux obtenus expérimentalement. Des écoulements plus proches de ceux des moteurs à propergol solide sont ensuite étudiés avec la prise en compte de géométries plus complexes et d'effets de compressibilité. Puis, des développements non linéaires sont proposés par application de la théorie de la stabilité secondaire et par recherche d'états quasi-saturés selon une forme spécifique de ces écoulements linéairement accélérés, retrouvée par simulation numérique directe. Enfin, la place de l'instabilité pariétale dans la boucle d'interactions conduisant au couplage aéroacoustique est discutée, ainsi que les pistes possibles de prédiction de ce dernier.

Le travail de recherche décrit dans la présente thèse, considère l’écoulement à surface libre et en charge de systèmes liquide/liquide. La première partie du mémoire est consacrée à l’étude de la propagation d’un courant gravitaire à la surface d’un liquide ambiant plus dense et miscible, au repos. Nous avons relâché à la surface d’un bassin d’eau salée, un débit contrôlé d’eau douce, puis de solutions polymères afin de caractériser à l’aide d’une méthode basée sur l’analyse des images et l’exploitation des diagrammes spatio-temporels, l’effet de la rhéofluidification sur l’avancée, l’étalement et l’enfoncement du courant gravitaire dans le liquide ambiant. Une caractérisation locale consistant en la mise au point d’une PIV grande échelle, visant à décrire les champs hydrodynamiques dans l’un et l’autre fluides a complété l’étude globale précédente. La seconde partie présente quant à elle, considère un écoulement en-courant eau/huile dans une conduite, afin de simuler le procédé d’injection pariétale de transport de pétrole brut par pipeline, ce dernier étant représenté par une huile dôtée d’une très forte viscosité et d’un comportement viscoplastique. Nous avons notamment caractérisé l’effet de la pente et du rapport des débits sur les pertes de charge globales, afin de définir les conditions de fonctionnement de plus grande efficacité du procédé. Une caractérisation locale des instabilités interfaciales a complété l’étude globale précédente
The present dissertation reports on investigations on open-channel flows and Poiseuille flows of liquid/liquid systems. The first part of the dissertation considers the propagation of a gravity current over a denser ambient miscible liquid. A controlled flow rate of fresh water and of polymer solutions were released upon the free surface of an ambient salty water at rest in a basin, in order to characterize with te help of a method based on image analysis and the exploitation of spatio-temporal diagrams, the effect of polymer shear-thinning property on the temporal evolution of front progress and spreading of gravity current in ambient liquid and of mixing layer depth as well. A local study consisting in the development of a large scale PIV, aiming at describe to hydrodynamic fields existing in both fluids completed the previous global study. The second part of the dissertation considers a co-current water/oil flow in a duct, in order to simulate the lubricated pipelining of heavy crude oils which were being represented by oils gifted with high viscosity and a viscoplastic rheological behaviour. The effect of bed slope and flow rates ratio on global pressure drop were characterized in order to define the conditions of process optimal efficiency. A local characterization of the interfacial instabilities completed the previous global investigation

Le travail présenté dans ce mémoire, divisé en deux parties principales, traite de la transition laminaire-turbulent de la couche limite en écoulement incompressible sur des ailes en flèche. La première partie concerne les problèmes de contamination et de transition naturelle de la ligne de partage alors que la seconde est relative à la transition par instabilités (longitudinales ou transversales) sur une aile en flèche. Les conclusions dégagées au cours de ce travail s'appuient sur des résultats numériques et expérimentaux obtenus dans la soufflerie subsonique F2 du Fauga-Mauzac. L'étude de la ligne de partage a permis de quantifier les performances d'un Gaster bump et d'une aspiration pariétale en tant que dispositifs anti-contamination. Des mesures par films chauds montrent que la couche limite sur la ligne de partage reste laminaire jusqu'à des nombres de Reynolds très élevés (proche des valeurs sur le bord d'attaque d'un avion de transport). Une étude numérique de la transition naturelle de la théorie de la stabilité linéaire est aussi entreprise. Les résultats obtenus sont en bon accord avec les observations expérimentales. Dans la seconde partie, on s'intéresse aux moyens de prévision de la transition sur une aile en flèche munie d'un dispositif d'aspiration. Les positions de transition et les spectres de fluctuations (observées expérimentalement) fournissent une base de données pour l'exploitation de la méthode du eN (théories liéaires Orr-Sommerfeld et PSE). Deux stratégies d'intégrations sont retenues pour le calcul du facteur N : la méthode enveloppe et la méthode à β fixé. La confrontation entre résultats expérimentaux et numériques montre que la stratégie à β fixé semble la plus appropriée. Enfin, une étude à caractère plus fondamental est entreprise à l'aide du modèle PSE non linéaire.

Cette etude experimentale contribue a la comprehension preliminaire des problemes rencontres en combustion, notamment celle des mecanismes non-lineaires d'amplification des instabilites mis en jeu dans les propulseurs a propergol solide segmente de la fusee ariane 5. Les ecoulements cisailles concernes sont marques par l'existence des structures tourbillonnaires generees au passage des restrictions creees par les elements des inhibiteurs. Des conditions particulieres amenent le detachement de ces structures a declencher des mecanismes non-lineaires d'amplification des differents parametres (pression, vitesse,). Le montage experimental utilise, etudie en gaz froid, les mecanismes d'amplification des fluctuations de pression parietale. L'ecoulement est segmente par des cavites de dimension variable. Les resultats confirment l'existence d'un couplage et d'une mise en resonance de l'ecoulement avec l'acoustique de la cavite totale par un mecanisme d'accrochage en frequence renforce. Deux mecanismes d'amplification sont mis en evidence. Les differentes phases qui les caracterisent ont ete analysees et illustrees ; on peut distinguer: une phase d'amplification exponentielle par cavite resonante courte, ou par excitation sous-harmonique. Le taux d'amplification est alors eleve. Suivie d'une phase d'amortissement quasi-exponentielle des amplitudes de fluctuation. Enfin un mecanisme de saturation modulee ou non, stabilise en moyenne les niveaux d'amplitude, dans les cavites longues (recollement successif). L'ensemble de ces mecanismes fait appel a une cascade d'energie dont nous avons determine les domaines d'action. Une interpretation par la dynamique du chaos a ete entreprise. L'analyse des signaux de fluctuation de pression parietale dans l'espace de phase a permis d'une part, de caracteriser l'impact des interactions entre frequences sur la configuration des attracteurs et d'autre part, d'identifier les ecoulements similaires mis en jeu au cours des differentes configurations de segmentation, par une etude comparative de la geometrie des attracteurs

Ce memoire a pour principal objectif de caracteriser le comportement instationnaire d'un ecoulement engendre par injection parietale, rencontrant un obstacle. Cette etude s'integre dans le cadre de la prevision de stabilite de fonctionnement des propulseurs a propergol solide segmentes. La simulation d'un tel systeme est effectue en gaz froid permettant d'apprehender les phenomenes fondamentaux et les mecanismes energetiques mis en jeu dans l'ecoulement. Le developpement dynamique de l'ecoulement est analyse. Les structures tourbillonnaires sont identifiees par visualisation, a l'interieur d'une couche de cisaillement issue du sommet de la protection thermique. L'excitation selective et l'amplification des modes acoustiques, ainsi que les mecanismes de transfert d'energie entre modes, sont mis en evidence. La modelisation numerique du comportement instationnaire de l'ecoulement presente un bon accord avec les resultats experimentaux pour l'ecoulement moyen. De plus, les calculs numeriques montrent que l'interaction hydro-acoustique s'accorde avec les premiers modes longitudinaux theoriques. Le detachement des structures tourbillonnaires, leur developpement spatial et temporel, et leur appariement sont analyses

Ce travail de thèse porte sur l’instabilité de Faraday qui résulte de l’oscillation verticale d’une couche de liquide. L’objectif est d’apporter une vérification expérimentale précise des résultats issus d’une analyse de stabilité linéaire. À basse fréquence, la longueur d'onde caractéristique de cette instabilité est de l'ordre des dimensions de la cellule expérimentale. Théoriquement les longueurs d'onde associées aux modes disponibles sont discrétisées selon le confinement latéral. Mathématiquement, la condition qui facilite les calculs est une condition limite pariétale sans contrainte, ce qui est irréaliste en raison des couches limites visqueuses et de l’hystérésis capillaire au point de contact du fluide avec les parois. Ici, nous présentons l'étude expérimentale d'un système de basse fréquence conçu pour se rapprocher d’une condition pariétale sans contrainte, par un choix judicieux de liquides. Le système a permis d’obtenir expérimentalement des seuils d’apparition de l’instabilité très proches des prédictions théoriques basées sur une analyse de stabilité linéaire. Les différences observées sont associées au ménisque formé par le liquide sur la paroi ainsi qu’au film liquide se formant à la paroi lors de l'excitation des ondes. Les écarts avec la théorie dû à ces imperfections semblent être fonction de la structure du mode et la périodicité des ondes. De plus, les ondes générées par le ménisque conduisent à des seuils inférieurs aux prévisions. Ceci indique une résonance mixte entre l'instabilité paramétrique et les oscillations forcées du ménisque où chaque contribution peut être contrôlée par un forçage caractérisé par deux fréquences
This work is an inquiry into the current understanding of experimental single-mode Faraday waves, from the perspective of linear stability theory. At low frequency, the characteristic wavelength is of the order of the cell dimensions, and theoretically the wavelengths associated with the modes available for excitation are discretized by the sidewall boundary condition. Mathematically, the condition which eases manipulation is a stress-free sidewall condition, which is unrealistic due to viscous boundary layers and capillary hysteresis. We report the experimental investigation of a low frequency system designed to approximate this condition, by careful choice of the fluid liquids and thereby increasing the relative importance of the interior damping. The design has permitted close connection between the experimental thresholds and the predictions, contrasting the traditional approach of phenomenologically measuring the mode dissipation and treatment as a single degree of freedom system. Non-ideal behavior of the sidewall persists, evident by the contact meniscus and the sidewall film which is formed during wave excitation. The presence of these non-idealities is translated to trends in the deviation between the observed and predicted thresholds, depending upon the mode structure and wave periodicity. The presence of harmonically excited waves from the meniscus seems to result in observation of amplitudes consistently lower than the predictions, indicating a mixed resonance between the parametric instability and the forced meniscus oscillations. Furthermore, it is seen this interaction can be adjusted by excitation with two commensurate parametric frequencies

Les longs moteurs à propergol solide peuvent présenter des oscillations de poussée dues à des fluctuations de la pression dans la chambre de combustion. Une source de ces fluctuations peut être l'instabilité de l'écoulement interne (écoulement de Taylor), dont l’étude au sens classique a déja été effectuée par J. Griffond (2001) sur l'écoulement monophasique. Elle est présentée au premier chapitre, ainsi que le problème des oscillations de poussée et une première analyse des mesures effectuées sur divers montages expérimentaux. Dans le but d’augmenter l'impulsion spécifique du moteur, le propergol contient des particules d’aluminium relachées dans l'écoulement. Afin de prendre en compte la présence de ces particules, un nouvel écoulement de base, alors diphasique, doit être recherché. C’est ce qui est fait au chapitre 2. L’étude de stabilité de cet écoulement y est aussi menée, et montre finalement une faible influence des particules sur la stabilité. Une modélisation de la combustion y est aussi donnée dans le but de fournir un modèle homogène pour une étude de stabilité, mais celle-ci n’est pas faite ici. L'approche classique de stabilité ne suffit pas à décrire toutes les observations expérimentales. Pour cela, une nouvelle approche de la stabilité est mise en œuvre dans le chapitre 3. Il s’agit d’une approche globale de la stabilité de l'écoulement qui prend en compte le caractère non-parallèle de l'écoulement de Taylor. Les résultats théoriques montrent un bon accord avec les mesures effectuées sur les maquettes et sur Ariane 5.

Le transfert de chaleur en convection forcée est étudié expérimentalement dans une couche limite se développant sur une paroi concave en présence de tourbillon de Görtler. Le chauffage pariétal est de type densité de flux constant à la paroi. L'analyse de l'effet de la longueur d'onde et de l'amplitude de perturbations en amont montre que plus cette longueur d'onde est petite, plus la transition à la turbulence est rapide. De même une amplitude plus grande des perturbations causent également une transition plus rapide de couche limite. Nous avons montre que sous l'effet de tourbillons de Görtler le transfert de chaleur pariétal peut être augmenté d'environ 250% par rapport au cas d'une couche limite laminaire sur plaque plate. En plus des mesures de transferts en paroi, mesures de la composante longitudinale de la vitesse ont été effectuées dans plusieurs sections transversales par l'anémomètrie à fil chaud. L'effet de la variation de la longueur d'onde et de l'amplitude des perturbations amont sur l'intensification des transferts convectifs et l'apparition de différents régimes d'écoulement de Görtler ont également été étudie à l'aide de ces mesures
Forced convective heat transfer is experimentally studied in a boundary layer over a concave wall in the presence of Görtler vortices. The concave wall is kept constant heat flux condition. Examination of the effects of the wave number and amplitude of the upstream perturbations indicate that the smaller the wavelength the faster is transition to turbulence. In the same way larger perturbation amplitudes cause a faster transition of the boundary layer to turbulence. Görtler vortices intensify wall heat transfer only their non-linear stage which proceed transition to turbulence. We have proved that this intensification is around 250% over the heat transfer in a flat boundary layer. This augmentation is due to the modification of the velocity field caused by the Görtler vortices in their non-linear stage. Longitudinal velocity field in the concave boundary layer, at several streamwise station, was also measured by wire anemometry. These results corroborate the conclusions made on the effects of perturbations wavelength and amplitude on the heat transfer enhancement by Görtler vortices

The thesis deals with partial attached cavitation instabilities. Most of the study is experimental. Experiments were carried in a water tunnel, on a partially cavitating hydrofoil. The experimental conditions ranged from sheet cavities inception to unstable cavities and cloud cavitation. In the latter case, instabilities are induced by the periodical development of a re-entrant jet under the cavity, which leads to the detachment of very erosive vapour clouds, which are convected in the cavity wake. In addition, such flows are noisy and cause structure's vibrations. Wall pressure measurements, lift and drag measurements, and numerical video records were performed. In the case of stable cavities, the analysis shows a peak of the pressure fluctuations intensity in the closure region of the cavity. It originates from spatial fluctuations of the closure, small toward the mean cavity length, due to a condensation - vaporisation mechanism, which also leads to little vapour clouds convected in the cavity wake, but without re-entrant jet. A mean temporal analysis of the pressure signals puts in evidence the development of a travelling pressure wave from the cavity detachment point up to the closure, prior to the little clouds emission. In our opinion, this pressure wave is related to a travelling wave at the interface of the cavity, and the fluctuations of the closure can be explained by the break of this wave. These fluctuations are associated with frequency peaks, leading to Strouhal numbers, based on the mean cavity length [. . . ]
Le sujet de la thèse porte sur l'étude des instabilités des poches de cavitation attachées. Il est à dominante expérimentale. Nous avons réalisé des essais en tunnel de cavitation sur un hydrofoil bidimensionnel partiellement cavitant, de l'apparition des poches jusqu'aux régimes instables de type cloud cavitation. Ces derniers sont caractérisés par le développement périodique d'un jet rentrant sous la poche, responsable du détachement de nuages de bulles très érosifs, convectés dans le sillage de la poche. Ces régimes de cavitation sont de plus source de bruit et d'excitation des structures. Des mesures de pression pariétale, des mesures de portance et de traînée, des mesures de fluctuations de pression dans le sillage, ainsi que des vidéos numériques ont été réalisées. Dans le cas des poches dites stables, l'analyse des résultats a révélé l'existence d'un pic d'intensité des fluctuations de pression en fermeture de poche. Il a pour origine des fluctuations spatiales de la fermeture, petites vis-à-vis de la longueur moyenne de poche, de type condensation - vaporisation, et responsables de l'émission de petits nuages de cavitation dans le sillage, mais sans jet rentrant. Par une analyse temporelle moyenne du champ de pression sous la poche et dans son sillage, nous mettons en évidence le développement d'une onde de pression du détachement vers la fermeture, qui précède l'émission des petits nuages. Selon nous cette onde de pression est la trace d'une vague à l'interface liquide - vapeur, et les fluctuations de la fermeture s'expliquent par un mécanisme type déferlement. Ces fluctuations sont associées à des pics de fréquences marqués, conduisant des nombres de Strouhal, basés sur la longueur moyenne des poches, proches de 0. 2 dans chaque cas. Nous montrons par une analyse quasi statique simple que ce nombre de Strouhal caractéristique résulte probablement d'un couplage poche - écoulement amont. Dans les cas de cloud cavitation, l'analyse des résultats a révélé deux dynamiques distinctes, 1 et 2 [. . . ]

Dans le cadre de l'étude des écoulements ouverts, deux types de dynamiques coexistent. Les écoulements de type oscillateur qui présentent une fréquence propre d'oscillation indépendante des perturbations extérieures (dynamique intrinsèque), ainsi que les écoulements de type amplificateur sélectif de bruit comme les écoulements de jets ou de couches limites décollées, caractérisés par une plus large gamme de fréquences dépendantes essentiellement de bruit extérieur (dynamique extrinsèque). Les études de couches limites décollées en régime incompressible ont montré un lien entre le phénomène auto-entretenu de basse fréquence qui apparaît et l'interaction non normale des modes globaux instables existants pour ce type de configuration. L'objectif de ce travail consiste à étendre cette interprétation lorsque l'écoulement est en régime subsonique. Dans ce but, un travail d'adaptation des conditions aux limites non-réfléchissantes aux problèmes de stabilité globale a été réalisé. Une méthode de zone absorbante de type Perfectly Matched Layer a été implémentée dans un code de simulation numérique utilisant des méthodes de collocation spectrale. Une méthode de décomposition de domaine adaptée aux calculs des solutions stationnaires ainsi qu'aux problèmes de stabilité globale a également été utilisée pour permettre la validation des conditions aux limites implémentées sur un cas d'écoulement rayonnant de cavité ouverte. Enfin, les études de stabilité d'un écoulement de couche limite décollée derrière une géométrie de type bosse ont été réalisées. L'étude des instabilités bidimensionnelles, responsables du phénomène basse fréquence (flapping), et réalisées en régime subsonique montre que le mécanisme observé en régime incompressible est aussi observé en régime subsonique. La stabilité de cet écoulement vis-à-vis de perturbations tri-dimensionnelles, et plus particulièrement les instabilités centrifuges ont aussi été étudiées en fonction du nombre de Mach
In open flows context, there are generally two types of dynamic : oscillators, such as cylinder flow, exhibit a well defined frequency insensitive to external perturbations (intrinsic dynamics) and noise amplifiers, such as boundary layers, jets or in some cases the separated flows, which are characterized by wider spectrum bands that depend essentially on the external noise (dynamic extrinsic). Previous studies have shown that separated flows are subject to self-induced oscillations of low frequency in incompressible regime. These studies have revealed links between the interaction of non-normal modes and low oscillations in an incompressible boundary-layer separation and it will be to establish the validity of this interpretation in a compressible regime. In this regard, non-reflecting boundary conditions have been developed to solve the eigenvalue problem formed by linearised Navier-Stokes equations. An absorbing region known as Perfectly Matched Layer has been implemented in order to damp acoustic perturbations which are generated when the compressibility of the flow is considered. A multi-domain approach using spectral collocation discretisation has also been developed in order to study the influence of this absorbing region on the stability analysis of an open cavity flow which is known to generate acoustic perturbations. Finally, we focused on separated boundary layer induced by a bump geometry in order to understand what are the effects of compressibility on the bidimensional low frequency phenomenon and also on transverse instabilities which are known to be unstable for a lots of separated flows

La capacité à contrôler la turbulence de paroi peut engendrer des gains importants en matière de réduction de la traînée de frottement, de retardement de la transition ou des points de décollement, pouvant s'adjoindre dans de multiples applications industrielles. Ce travail contribue à promouvoir de nouveaux moyens efficaces destinés à réduire le frottement. La dynamique des structures cohérentes de proche paroi s'opère sous la forme d'un cycle auto-entretenu, qui gouverne la production de la turbulence. Les stries de hautes et basses vitesses sont propices à la manifestation d'instabilités secondaires. Plusieurs travaux récents dont les simulations numériques de Du, Symeonidis & Karniadakis (JFM 2002) ont montré que l'application d'un forçage transversal affectant directement le cycle de paroi par une force volumique pouvait produire des gains significatifs, conjointement avec une diminution de l'intensité des stries. L'étude actuelle se destine à reproduire ces effets expérimentalement, en substituant la force de volume par une paroi mouvante " intelligente " générant une onde transversale. L'ondulation est produite par des actionneurs piézo-électriques arasant à la paroi disposés en rangée, dont la déflexion, procure la déformation souhaitée. Le module de contrôle a été réalisé et testé au LEEI (ENSEEIHT, INPT). Les structures clés de la turbulence pariétale ont été reproduites artificiellement en générant à grande échelle des stries sur une couche limite laminaire. Le premier intérêt a été de quantifier l'effet produit par l'ondulation de la paroi. La réceptivité de l'écoulement strié a révélé la sensibilité majeure aux instabilités secondaires. Certains effets observés corroborent les tendances souhaitées: l'onde progressive modifie l'écoulement de base. En conditions turbulentes les effets engendrés sont moins évidents. Des voies de développement futur sont indiquées
The ability to control wall turbulence could be important for reducing skin friction, delaying transition and separation points. The use of new techniques could be potentially beneficial in many applications. This work aims at finding efficient means to reduce skin friction drag in a turbulent boundary layer. The central elements of the self-sustaining cycle which exists in turbulent boundary layers are the near-wall coherent structures whose dynamics control the turbulence production. Quasi-streamwise vortices and streaks of low and high-speed evolve through a secondary instability mechanism. Time and length scales of these structures have been known for quite some time. Recent results have shown that a spanwise forcing could lead to a conclusive control effect [Du, Symeonidis & Karniadakis, JFM 2002], results obtained by direct numerical simulations of a turbulent channel flow, with a body force (the control) which weakens the streaks and reduces the frequency of ejections. The present study aims at reproducing these effects experimentally, by replacing the body force with a "smart" moving wall generating the spanwise wave. The wall movement is achieved through piezo-electric actuators placed underneath the wall, producing a sizable deflection via an array of cantilever beams, yielding the desired wall movement. The control module has been built and tested at the LEEI (ENSEEIHT, INPT). Key elements of wall turbulence are first reproduced by embedding large scale streaks within a laminar boundary layer. Measurements have first been focused on quantifying the effect of the actuators. In the presence of organized streaks the results have shown that the control module generally excites the instability of the streaks; some of these effects corroborate the numerical findings: the travelling wave affects the mean flow. In the turbulent case the effect produced is less remarkable. Further developments for an amelioration of the technique are discussed

La transition a la turbulence dans les ecoulements cisailles compresibles est etudiee par simulation numerique directe et des grandes echelles. Deux codes de simulation, utilisant des methodes aux differences finies explicites en temps, ont ete successivement concus dans ce but et sont presentes de facon detaillee. Dans le cadre des ecoulements libres, quelques simulations de couches de melange, tenant initialement lieu de tests et demontrant le potentiel de la methode, ont ete realisees. La couche limite sur une plaque plane semi-infinie est enfin simulee pour des nombres de mach allant de 0,5 (quasi-incompressible) a 5 (limite inferieure du regime hypersonique) en configuration temporelle et spatiale. Ces dernieres simulations permettent de mettre en evidence, essentiellement a l'aide de visualisations bi et tridimensionnelles, l'instabilite initiale de l'ecoulement, les mecanismes menant ensuite a la transition et les structures coherentes caracterisant l'ecoulement turbulent

L'interaction entre deux perturbations localisées est analysée dans un écoulement en canal plan, en condition souscritique à travers des simulations numériques directes. Les perturbations initiales sont en forme de deux paires de tourbillons contra-rotatifs. La perturbation mère génère des couches de vorticité normales à la paroi qui seront comprimées ou étirées localement par la structure secondaire. La rupture de la symétrie dans le sens transversale permet la génération d'une nouvelle couche de vorticité normale à la paroi. Elle est inclinée par le cisaillement et s'enroule pour former un nouveau tourbillon quasi-longitudinale. Le processus a comme conséquence l'apparition d'un spot turbulent localement. Une analyse détaillée est effectuée pour déterminer le rôle de différents paramètres entrant dans la physique du mécanisme. Plusieurs seuils critiques qui déclenchent le processus de transition interactif sont trouvés et analysés. Les paramètres de similitude résultant de la recherche paramétrique coïncident bien avec ceux qui régissent le cycle de régénération de la contrainte de Reynolds, produisant ainsi des structures cohérentes dans la couche tampon d'un écoulement pariétal turbulent pleinement développé. On suggère que le mécanisme que nous proposons puisse jouer un certain rôle dans le cycle de régénération de la turbulence proche parois, en produisant des structures toute en déviant le mécanisme d'instabilité tridimensionnel. On propose une stratégie de mélange active en forçant l'écoulement par des jets synthétiques, cette stratégie étant basée sur le mécanisme interactif. La faisabilité de cette stratégie est montrée par des simulations numériques directes de haute résolution spatiale et temporelle
The interaction between two localized disturbances is analyzed in a subcritical channel flow through direct numerical simulations. The initial perturbations are of the form of two pairs of counter rotating vortices. One of them interacts with the wall normal vorticity layers set-up near the wall, by compressing or stretching locally part of them through the straining motion it induces. The breakdown of spanwise symmetry leads to the rapid development of a new wall normal vorticity patch that is tilted by the shear and rolls up into a new small-scale streamwise vortex. The process results in a localized turbulent spot at later stages of development. A detailed analysis is carried out to determine the role of different parameters entering in the physics of the mechanism. Several critical thresholds that trigger the interactive bypass transition process are found and analyzed. The similitude parameters resulting from the parametric investigation coincide well with those governing the self-sustaining Reynolds shear stress producing eddies in the buffer layer of a fully developed turbulent wall flow. Tt is suggested that the mechanism we propose may play some role in the regeneration cycle of the near wall turbulence generating structures by precisely bypassing the three-dimensional streak instability mechanism. Based on these results, an active micro-mixing strategy through forcing the flow by synthetic wall jets is proposed. The feasibilitv of this strategy is shown through direct numerical simulations of high spatial and temporal resolution

La rectification d'un ecoulement de fluide homogene force alternativement sur un fond plat horizontal et le long d'une paroi verticale en milieu tournant est etudie experimentalement. On montre comment les echanges de quantites de mouvement entre la couche d'ekman et la couche limite contre la paroi provoquent une interaction non lineaire forte entre les composantes horizontales du courant, qui engendre un courant residuel significatif le long de la paroi. Ce courant laisse la paroi verticale sur sa droite dans le cas d'une rotation correspondant a l'hemisphere nord. Les caracteristiques de ce courant residuel, ou rectifie, sont determinees a l'aide de techniques de visualisation et de mesure velocimetrique. L'evolution parametrique du phenomene est confrontee avec une modelisation theorique de l'ecoulement et avec des simulations numeriques. L'existence d'un courant residuel cotier le long des cotes francaises de la manche orientale rend pertinente l'application de notre etude aux courants de maree de cette region. On etudie ensuite la transition vers la turbulence de la couche d'ekman presente sous l'ecoulement alternatif force. Des reseaux d'ondes d'instabilite peuvent apparaitre, puis interagir si le nombre de reynolds est grand, ou encore se detruire au moment de la renverse du courant. Ces explosions engendrent un melange vertical important. Des mesures de fluctuations des vitesses, realisees au film chaud, confirment les observations. On peut encore envisager d'appliquer ces resultats a la turbulence de fond des courants de maree dans la manche

Dans cette étude, le comportement aérodynamique du jet pariétal (Re = 8000) cisaillé latéralement par un courant de perturbation externe (ELS) de profil de vitesse uniforme (Ulf) a été étudié et analysé. Les expérimentations ont été réalisées par PIV et LDV sur une maquette aéraulique isotherme à échelle réduite d’un meuble frigorifique de vente. L’étude est centrée sur la région du jet située à proximité de la section de soufflage (x/e < 10) qui correspond à la zone dans laquelle se développent les instabilités et le processus de transition vers la turbulence. L’analyse des résultats obtenus avec et sans perturbation a mis en évidence que la perturbation entraîne une diminution significative du pouvoir d’entraînement du jet, une forte décroissance de la vitesse moyenne maximale, un faible épanouissement du jet et une augmentation globale des valeurs des moments d’ordre deux de toutes les composantes des contraintes de Reynolds. L’analyse par PIV résolue en temps (10 kHz) montre une topologie déformée et allongée des structures de Kelvin-Helmholtz (K-H) pour (Ulf = 0,5 ms-1) et détachée pour (Ulf = 1 ms-1). Les résultats de l’interaction mutuelle ente les couches interne et externe indiquent que le courant ELS brise partiellement le mécanisme de formation des dipôles de vortex qui deviennent irréguliers et moins prédictifs, ce qui conduit à l’allongement de la zone de transition et retarde donc l’apparition de la zone auto-similaire du jet. D’après la technique POD, l’ELS engendre une redistribution énergétique entre les modes. Le courant ELS affecte également les instabilités K-H en perturbant leur organisation bidimensionnelle, leur topologie, leur alignement et leur fréquence de passage mettant en évidence l’effet inhibiteur exercé sur le développement des structures primaires. Les corrélations spatiales Rvv reflètent la diminution des échelles de longueur dans le cas d’un jet perturbé
In this study, the aerodynamic behavior of the plane wall jet (Re = 8000) sheared laterally by an external lateral stream (ELS) of a uniform velocity profile (Ulf) was studied and analyzed. The experiments were carried out by PIV and LDV on a reduced-scale isothermal aeraulic model of a refrigerated display cabinet. The study focuses on the near-field region of the jet (x / e <10) which corresponds to the zone of transition to turbulence and onset and development of instabilities. The results obtained with and without perturbation showed a significant decrease in the entrainment rate, a strong decrease in the maximum velocity decay rate, a lower jet expansion and an overall increase in the values of second order moments of the Reynolds stress components. The time-resolved PIV analysis (10 kHz) shows a distorted and elongated topology of the Kelvin-Helmholtz (K-H) structures for (Ulf = 0,5 ms-1) and a detached topology for (Ulf = 1 ms-1). The results of the mutual interaction between the inner and outer layers indicate that the ELS partially breaks the vortex dipole formation mechanism which becomes irregular and less predictive, leading to the elongation of the transitional region and a lag effect in the beginning of the self-similarity region. POD technique reveals the role of the ELS in redistributing energy between the modes. The ELS also affects the K-H instabilities by disrupting their two-dimensional organization, topology, alignment and shedding frequency, highlighting the inhibitory effect exerted on the development of primary structures. The spatial correlations Rvv reflect the decrease of the length scales in the case of a perturbed jet

Ce travail porte sur l’étude numérique et expérimentale d’un écoulement de Couette-Taylor dans une géométrie à surfaces rugueuses, afin de détecter l’effet de la rugosité sur les instabilités hydrodynamiques. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude de simulation numérique (CFD) 3D dans le cas d’un écoulement de Couette-Taylor sans débit axial, mais en utilisant plusieurs types de rugosités de surfaces : rugosité isotrope (micro-rugosité), rugosité anisotrope (macro-rugosité), variation de l’amplitude ainsi que le type de la macro-rugosité. Les résultats obtenus montrent bien l’effet de cette rugosité sur la restructuration de l’écoulement et le développement des instabilités hydrodynmiques. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à l’étude expérimentale des écoulements de Couette-Taylor-Poiseuille avec et sans débit axial en utilisant deux protocols (direct et inverse). En effet, la superposition d’un écoulement axial (Poiseuille) avec un écoulement de Couette-Taylor, peut avoir un effet important sur la réorganisation de l’hydrodynamique de base déjà connue et constituée de cellules de Taylor. Par conséquent, la présence d’un écoulement axial peut générer la formation de vortex ou leur brisure ou disparition, et peut déplacer ces derniers (vortex ou cellules de Taylor) dans la même direction ou la direction inverse de l’écoulement axial imposé. Expérimentalement, nous avons commencé par une étude qualitative en visualisant les instabilités hydrodynamiques grâce à des particules de kalliroscope. Par la suite, une étude quantitative utilisant la PIV et la polarographie a été effectuée afin de caractériser les régimes d’écoulement des premières instabilités (TVF, WVF, MWVF et TN) en présence ou non d’un débit axial. La méthode polarographique, au moyen de sondes simples circulaires, a été alors utilisée pour quantifier le gradient pariétal de vitesse local et instanané. La PIV a permis d’étudier les régimes WVF, MWVF et turbulent. Différents critères de détection de tourbillons (la vorticité ω et le critère Q) ont été alors développés et utilisés pour bien identifier les structures tourbillonnaires
This work deals with a numerical and experimental study of the Couette-Taylor flow where the geometry contains rough surfaces, in order to detect the effect of these irregularities on the hydrodynamic instabilities. Firstly, we carried out a 3D mumerical simulation study (CFD) in the case of a Couette-Taylor flow without axial flow, but using several types of surface roughness: isotropic roughness (micro-roughness), anisotropic roughness (macro-roughness) and variation of the amplitude as well as the type of macro-roughness. The obtained results clearly show the effect of this roughness on the reorganization of the flow and the development of the hydrodynamic instabilities. Secondly, we were interested to carry out an experimental study of Couette-Taylor-Poiseuille flows, with and without axial flow by using two protocols (direct and reverse). Indeed, the superposition of an axial flow (Poiseuille) with a Couette-Taylor flow can have a significant effect on the reorganization of the basic and already known hydrodynamic instabilities, constituted by Taylor cells. Therefore, the presence of an axial flow can generate the development of vortices or their breakup or disappearance, and can move the Taylor vortices in the same direction or the opposite direction of the imposed axial flow. Experimentally, we started with a qualitative study by visualizing the hydrodynamic instabilities thanks to kalliroscope particles. Thereafter, a quantitative study using PIV and polarography was carried out in order to characterize the flow regimes of the first instabilities (TVF, WVF, MWVF and TN) with or without axial flow. The polarographic method, using simple circular probes, was then used to quantify the local and instantaneous wall shear stress. The PIV allowed to study the WVF, MWVF and turbulent regimes. Different vortices’ detection criteria (vorticity ω and Q criterion) were then developed and used to correctly identify the turbulent structures

Cette thèse vise à modéliser les instabilités hydrodynamiques générant des détachements tourbillonnaires pariétaux (ou VSP) responsables des Oscillations De Pression dans les moteurs à propergol solide longs et segmentés par interaction avec l’acoustique du moteur. Ces instabilités sont modélisées en tant que modes de stabilité linéaire globaux de l’écoulement d’un conduit à parois débitantes. En supposant que les structures pariétales émergent d’une perturbation de l’écoulement de base, des modes discrets et indépendants du maillage utilisé sont calculés. Dans ce but, une discrétisation par collocation spectrale multi-domaine est implémentée dans un solveur parallèle afin de s’affranchir de la croissance polynomiale des fonctions propres et de la présence de couches limites. Les valeurs propres ainsi calculées dépendent explicitement des frontières du domaine, à savoir la position de la perturbation et celle de la sortie, et sont ensuite validées par simulation numérique directe. On montre alors qu’elles permettent bien de décrire la réponse à une perturbation initiale de l’écoulement modifié par une rupture de débit pariétale. Ensuite, la simulation d’une réponse forcée par l’acoustique se fait sous forme de structures tourbillonnaires dont les fréquences discrètes sont en accord avec celles des modes de stabilité. Ces structures sont réfléchies en ondes de pression de même fréquences remontant l’écoulement. Finalement, la simulation numérique et la théorie de la stabilité permettent de montrer que le VSP, dont la réponse est linéaire vis-à-vis d’un forçage compressible comme l’acoustique, est le phénomène moteur des Oscillations De Pression
The current work deals with the modeling of the hydrodynamic instabilities that play a major role in the triggering of the Pressure Oscillations occurring in large segmented solid rocket motors. These instabilities are responsible for the emergence of Parietal Vortex Shedding (PVS) and they interact with the boosters acoustics. They are first modeled as eigenmodes of the internal steady flowfield of a cylindrical duct with sidewall injection within the global linear stability theory framework. Assuming that the related parietal structures emerge from a baseflow disturbance, discrete meshindependant eigenmodes are computed. In this purpose, a multi-domain spectral collocation technique is implemented in a parallel solver to tackle numerical issues such as the eigenfunctions polynomial axial amplification and the existence of boundary layers. The resulting eigenvalues explicitly depend on the location of the boundaries, namely those of the baseflow disturbance and the duct exit, and are then validated by performing Direct Numerical Simulations. First, they successfully describe flow response to an initial disturbance with sidewall velocity injection break. Then, the simulated forced response to acoustics consists in vortical structures wihich discrete frequencies that are in good agreement with those of the eigenmodes. These structures are reflected into upstream pressure waves with identical frequencies. Finally, the PVS, which response to a compressible forcing such as the acoustic one is linear, is understood as the driving phenomenon of the Pressure Oscillations thanks to both numerical simulation and stability theory

On étudie la pulvérisation numérique de jets et de nappes liquides. Dans la première partie une revue bibliographique du problème présente la théorie des instabilités de Kelvin-Helmholtz et différents résultats expérimentaux antérieurs. Dans le seconde partie on présente différentes méthodes numériques : technique de suivi d'interface (Volume of Fluid), de calculs des efforts de tension de surface (CSF) et de résolution des équations de Navier-Stokes (Mac Cormack). La dernière partie décrit une méthode particulaire (SPH) permettant de traiter des interactions d'écoulements liquides et gazeux. Les principaux phénomènes interfaciaux, tels que la tension de surface et la vaporisation sont pris en compte. Des calculs 2D et 3D de déformation de jets liquides dans les écoulements gazeux supersoniques sont analyses et comparés avec des résultats expérimentaux.