Rozprawy doktorskie na temat „Effort inertiel du fluide”

Le comportement d’une membrane sans épaisseur placée dans un écoulement unidirectionnel et irrotationnel a été analysé à l’aide de simulations numériques. La portance, la poussée et les forces inertielles ont été calculées en fonction de la distribution de pression au-dessus et en dessous de la membrane en utilisant la méthode des tourbillons. Laréponse du solide a été calculée à partir des hypothèses de grands déplacements en appliquant la mécanique lagrangienne à l’aide du logiciel ANSYS APDL, avec une résolution temporelle basée sur la méthode HHT-α, où la méthode de Newton-Raphson a été utilisée pour résoudre les aspects non linéaires.L’interaction fluide-solide a été obtenue par un échange explicite de données entre le code de simulation de fluide et le modèle structurel, en se basant sur les conditions cinétiques et dynamiques à la frontière d’interface, tout en prenant en compte le critère de l’échantillonnage de Nyquist-Shannon ainsi que les conditions de Courant-Friedrichs-Lewy. Une nouvelle décomposition matricielle des efforts hydrodynamiques a été appliquée avec succès, permettant de quantifier l’influence des composantes des efforts hydrodynamiques, démontrant ainsi la valeur instantanée des efforts inertiels du fluide. Une étude de l’efficacité propulsive du système en fonction des fréquences d’oscillation, des propriétés mécaniques du solide déformable, et des configurations mécaniques du système a été réalisée afin de déterminer la propulsion optimale
The behavior of a thicknessless membrane placed in a unidirectional and irrotational flow is analyzed using numerical simulation. The lift, thrust and inertial forces were calculated based on the pressure distribution over and under the membrane using the Vortex Method. The response of the solid was calculated based on the large displacement hypothesis using the Timoshenko beam theory and total Lagrangian formulation in ANSYS APDL, with time resolution based on HHT-α method, where the Newton-Raphson method was applied to resolve non-linear aspects.Fluid-solid interaction was achieved through explicit data exchange between the fluid simulation code and the structural model based on the kinetic and dynamic conditions at the interface boundary and paying special attention to the Nyquist–Shannon criteria and the Courant-Friedrich-Levy's conditions. A new matricial decomposition of hydrodynamic efforts was successfully applied, allowing us to quantify the influence of the inertial force component in the flow and demonstrate the instant value of the added inertia. A study of the thrust in relation to the beating frequencies, the mechanical properties of the deformable solid and the system's mechanical configurations was carried out to find the best propulsion conditions

L'hydrodynamique d'un système d'agitation est très dépendante, quantitativement et qualitativement, de la nature rhéologique des fluides impliqués dans le procédé. Dans ce travail, on étudie le cas de fluides viscoplastiques très visqueux dans un système d'agitation classique: une cuve cylindrique et un agitateur ancre. Le cas du ruban hélicoi͏̈dal est également abordé. On s'intéresse aux écoulements laminaires, incompressibles et isothermes. La première partie de ce travail est consacrée à une approche numérique effectuée à l'aide d'un code industriel ('Fluent'). Le seuil d'écoulement lié au comportement viscoplastique est modélisé par une loi théorique de Bingham. Dans un premier temps, une étude sur l'écoulement de Couette entre cylindres coaxiaux permet de tester la validité et les limites des modèles adoptés pour approcher cette loi. On développe également une étude analytique de la puissance consommée et de la validité d'une extension de la loi de Metzner et Otto. Les résultats obtenus sont ensuite utilisés pour réaliser l'étude du système d'agitation en géométrie bi- puis tri-dimensionnelle. Les champs de vitesse sont analysés. On montre que l'existence d'un seuil, caractérisé par le nombre de Hedström, peut conduire à une quasi-immobilisation de larges zones à l'intérieur du système d'agitation. Les effets croisés de l'inertie et de la viscoplasticité sont étudiés. Une application au mélange est proposée. La deuxième partie de ce travail est consacrée à une approche expérimentale. Des mesures du champ de vitesse dans une section horizontale de la cuve ont été réalisées par vélocimétrie par images de particules (PIV). L'étude a été faite en fluide newtonien (solutions de glucose) et en fluide viscoplastique (solutions de Carbopol). Des glissements à la paroi ont été observés et annulés par l'adjonction de rugosités sur la cuve. Une comparaison avec les résultats numériques est ensuite effectuée et analysée.

Cette thèse est une étude expérimentale de la formation et de la maturation d’un anneau tourbillonnaire. Elle porte sur les écoulements faiblement inertiels (Reynolds : 5 à 500) en fluide newtonien puis non newtonien. Les anneaux sont générés par un système cylindre-piston. Ils sont analysés par visualisation et par vélocimétrie par images de particules (PIV). La dynamique en fluide newtonien à faible nombre de Reynolds se révèle plus complexe que celle à grands Reynolds avec l’apparition d’un anneau secondaire contrarotatif. Les résultats obtenus en fluide rhéofluidifiant montrent l’influence de l’indice de comportement ainsi que les zones de comportement rhéofluidifiant et newtonien. Les explorations en fluides viscoplastique et viscoélastique montrent la formation d’un ou plusieurs anneaux secondaires contrarotatifs, qui diffèrent dans leur formation et leur dynamique des anneaux observés en fluide newtonien et que l’on associe aux propriétés physiques intrinsèques du fluide.

Afin d'améliorer notre compréhension du comportement de corps solides anisotropes en mouvement dans un liquide en régime inertiel, nous avons étudié la chute d'un groupe de cylindres de taille finie évoluant en milieu confiné. L'utilisation d'une cellule de faible entrefer, qui laisse trois degrés de liberté aux cylindres, permet de suivre par imagerie rapide leur comportement. Dans ce but, un dispositif expérimental pré-existant a été amélioré, afin de permettre notamment d'introduire un contre-écoulement, ainsi qu'un système permettant la libération coordonnée de cylindres en groupe. En complément, les champs de vitesses dans le liquide, intégrés sur l’épaisseur de la cellule, peuvent être obtenus par PIV ombroscopique. En variant les longueurs et masses volumiques des cylindres toujours dans de l'eau, nous avons analysé l'impact des rapports de forme, des rapports de densité et du nombre d'Archimède sur la cinématique observée. Dans un premier temps, nous avons analysé l'influence de ces paramètres sur les caractéristiques du comportement d'un cylindre seul, isolé en milieu confiné. Ceci nous a conduit à une modélisation approfondie des forces en jeu et de leur interaction avec le fluide environnant. Cette modélisation s'est appuyée sur le formalisme des équations généralisées de Kelvin-Kirchhoff auxquelles nous avons ajouté des forces de traînée et de portance, mais également une force d'histoire qui permet de fermer le modèle sur une large gamme de paramètres. Nous montrons que les larges amplitudes des fluctuations conduisent à une contribution moyenne de la force inertielle couplant les translation et rotation du cylindre qui impacte sa vitesse moyenne de chute. Ceci nous a également permis d'avoir une prédiction de la fréquence d'oscillation. La présence d'un contre-écoulement ascendant, n'affecte pas sensiblement la vitesse relative par rapport au fluide et la fréquence d'oscillation du corps. Cependant, elle peut conduire à une re-stabilisation des trajectoires, dans certaines gammes de paramètres. Dans un second temps, notre attention s'est portée vers le comportement collectif d'un groupe de cylindres en chute libre en régime inertiel. Les conditions de lâchers étaient similaires d'un essai à l'autre, incluant le temps de lâcher et l'arrangement initial ; seul le nombre de cylindres, la masse volumique des cylindres et leur rapport de forme étaient variables. En observant ces groupes suffisamment loin du point d'injection, nous avons montré qu'ils évoluaient avec des vitesses verticales de chute constantes, occupaient une surface constante et présentaient des structures internes complexes fortement dépendantes des paramètres de contrôle. La structure est constituée d'objets regroupant plusieurs cylindres, qui interagissent, coalescent ou se fragmentent. Nous avons aussi mis en évidence la présence d’hétérogénéités importantes au sein du groupe, avec l’apparition de zones plus concentrées comprenant un plus grand nombre d'objets, plongeant plus vite dans le liquide, que nous avons appelé "coulées". L'analyse détaillée des vitesses des différents objets nous a permis de montrer que ceux-ci présentent des distributions statistiques comparables. Un modèle simple équilibrant traînée et flottabilité considérant le groupe comme un objet unique homogénéisé nous a permis d'obtenir une prédiction de la vitesse de chute du groupe, une fois son rayon équivalent connu. L'analyse des écarts-types des fluctuations de vitesse des objets au sein du groupe nous a permis de fournir des lois d'échelle prédictives basées sur deux ingrédients différents dans les directions horizontales et verticales, respectivement : la mobilité propre du corps isolé, caractérisée par sa fréquence d'oscillation et de lâcher tourbillonnaire, et les entraînements par les sillages et les coulées, moteur des fluctuations verticales, pris en compte par une concentration caractéristique du nuage
In order to improve our understanding of the behavior of anisotropic solid bodies in motion within a liquid under inertial conditions, we investigated the fall of a group of finite-sized cylinders in a confined environment. The use of a thin-gap cell, reducing the motion of the cylinders to three degrees of freedom, allowed us to track their behavior through high-speed imaging. To achieve this, an existing experimental setup was improved, by introducing in particular a counterflow and a system enabling the coordinated release of cylinders in a group. In addition to high-resolution cameras, seeding of the liquid was performed to enable the determination of the liquid velocity field, integrated across the thickness of the cell, using PIV shadowgraphy. By varying the lengths and densities of the cylinders, released in water, we analyzed the impact of the aspect ratios, the density ratio, and the Archimedes number of the cylinders on the observed kinematics. Initially, we examined the influence of these parameters on the behavior characteristics of a single cylinder, isolated in a confined medium. This led to a comprehensive modeling of the forces at play and their interaction with the surrounding fluid. The modeling relied on the Kelvin-Kirchhoff generalized equations, to which we added drag and lift forces, as well as a history force to close the model over a wide range of parameters. We demonstrated that the large amplitudes of fluctuations contribute to an average inertial force coupling the translation and rotation of the cylinder, affecting its mean fall velocity. This also allowed us to predict the oscillation frequency of the fluttering motion. The presence of an upward counterflow does not significantly affect the cylinder velocity relative to the fluid and the oscillation frequency. However, it may lead to trajectory restabilization under certain parameter ranges. In a second phase, we focus our attention to the collective behavior of a group of freely falling cylinders under inertial conditions. Release conditions were consistent across experiments, including release time and initial packing; only the number of cylinders, cylinder density, and aspect ratio varied. Observing these groups sufficiently far from the injection point, we demonstrated that the groups evolved with constant vertical falling velocities, occupied a constant surface, and featured complex internal structures highly dependent on control parameters. These structures consisted of objects grouping several cylinders, interacting, coalescing, or fragmenting. We also highlighted significant heterogeneities within the group, with the emergence of more concentrated areas containing a greater number of objects, plunging faster into the liquid, which we referred to as "streams". Detailed analysis of the velocities displayed by the different objects allowed us to show that they presented comparable statistical distributions. A simple model balancing drag and buoyancy, considering the group as a homogenized single object, allowed us to predict the group's fall velocity once its equivalent radius was known. The analysis of the standard deviations of velocity fluctuations of objects within the group allowed us to provide predictive scaling laws based on two different ingredients in the horizontal and vertical directions, respectively: the proper mobility of the isolated body, characterized by its frequency of oscillation and of vortex shedding, and the entrainment by the wakes and streams, driving the vertical fluctuations, accounted for by a characteristic concentration for the group

Ce mémoire contribue à l'étude des interactions hydrodynamiques particules-paroi dans un écoulement à faible nombre de Reynolds. Divers écoulements de Stokes axisymétriques sont calculés pour une sphère proche d'une paroi plane. On utilise ensuite les techniques de perturbation pour déterminer les forces hydrodynamiques : la force de traînée visqueuse inertielle et instationnaire pour le mouvement d'une sphère normal à une paroi plane, la force de portance pour une sphère en mouvement parallèle à une paroi dans différents écoulements ambiant, sans aucune restriction sur la distance séparant la sphère et la paroi. En régime de lubrification, on apporte également des corrections aux approximations des vitesses et pression du fluide dans le cas où la sphère sédimente perpendiculairement à la paroi
This work contributes to the study of hydrodynamic interactions between particles and wall in low Reynolds number fluid flow. Various axisymetric Stokes flows are calculated for a sphere near a plane wall. Perturbation techniques are then used to determine hydrodynamic forces, namely the viscous inertial unsteady drag force for the motion of a sphere normal to a plane wall and the lift on a sphere moving parallel to a plane wall in various ambient flow fields; regardless of the sphere to wall distance. In the lubrication regime, corrections are also derived for the approximated fluid velocity and pressure around a sphere settling normal to a wall

Ce travail présente une étude analytique, numérique et expérimentale de l'hydrodynamique d'un cylindre soumis à un choc sinus. L'étude analytique consiste à développer un modèle général permettant de prédire les forces et la répartition de pressions sur le cylindre soumis à un mouvement transitoire quelconque dans un fluide visqueux bidimensionel. La simulation numérique s'attache à la modélisation en maillage mobile d'un cylindre évoluant dans un domaine fluide infini bidimensionel sous le code généraliste STAR-CD. Un dispositif expérimental avec la chaîne de mesure associée est conçu permettant d'imposer différents types de mouvements (choc sinus, mouvement oscillatoire entretenu) à un cylindre baignant dans un bassin. Ces trois approches complémentaires montrent que l'écoulement est régi par deux nombres adimensionnels : le nombre de Stokes, Beta, et le nombre de Keulegan-Carpenter, KC. Beta mesure le rapport entre le temps de diffusion visqueuse et le temps caractéristique du choc et KC le rapport entre le déplacement maximum du corps et son diamètre. Dans le cas où Beta est très grand (fluide parfait), la force sur le cylindre est régie par l'effet inertiel quelque soit KC. A petit KC, la pression est contrôlée uniquement par l'effet inertiel alors que pour des grands KC, un effet d'advection vient s'ajouter. A Beta modéré et pour des petites valeurs de KC, la force et la pression subissent trois effets : un effet d'inertie, d'histoires et de traînée. Pour des grandes valeurs de KC, l'écoulement devient plus riche : des zones dynamiques de vorticité apparaissent. Elles induisent de fortes fluctuations locales de pression sans modifier la force totale. Ce travail se termine par l'étude d'un cas d'interaction fluide-structure où les outils de prédiction et de simulation développés récédemment sont mis en oeuvre. Les phénomènes d'inertie, de trainée et les effets d'histoire apparaissent simultanément et sont couplés avec le mouvement du cylindre.

Les capsules, formées d’une goutte protégée par une membrane élastique, sont très présentes naturellement et dans diverses applications industrielles, mais peu d’études ont exploré les phénomènes transitoires de leur relaxation. L’objectif est d’étudier l’influence de l’inertie et du confinement sur la relaxation d’une capsule sphérique (1) pré-déformée en ellipsoïde et relâchée dans un canal carré où le fluide est au repos, (2) sous écoulement dans un canal carré à expansion soudaine (‘marche’). La capsule est modélisée comme un fluide Newtonien dans une membrane hyper-élastique sans épaisseur ni viscosité, et simulée en couplant les méthodes Volumes Finis - Eléments Finis - frontières immergées. Sa relaxation dans un fluide au repos comporte 3 phases : amorçage du mouvement du fluide, phases rapide puis lente de rétraction de la membrane. Trois régimes existent selon le rapport de confinement et le rapport des nombres de Reynolds et capillaire : amortissements pur, critique ou oscillant. Un modèle de Kelvin-Voigt inertiel est proposé pour prédire les temps de réponse et aussi appliqué à une capsule en écoulement dans le canal microfluidique avec marche. La comparaison aux simulations 3D montre sa pertinence aux temps courts de la relaxation. Ces travaux ouvrent la voie à l’étude d’écoulements transitoires de capsules confinées dans des systèmes microfluidiques complexes
Capsules, made of a drop protected by an elastic membrane, are widly present in nature and in diverse industrial applications, but few studies have explored the transient phenomena governing their relaxation. The objective of the PhD is to study the influence of inertia and confinement on the relaxation of a spherical capsule (1) pre-deformed into an ellipsoid and released in a square channel where the fluid is quiescent, (2) flowing in a square channel with a sudden expansion (‘step’). The capsule is modeled as a Newtonian fluid in a hyperelastic membrane without thickness or viscosity and is simulated coupling the Finite Volume - Finite Element - Immersed Boundary Methods. Its relaxation in a quiescent fluid exhibits three phases: the initiation of the fluid motion, the rapid and then slow retraction phases of the membrane. Three regimes exist depending on the confinement ratio and the Reynolds to capillary number ratio: pure, critical or oscillating damping. A Kelvin-Voigt inertial model is proposed to predict the response time constants and also applied to a capsule flowing in the microfluidic channel with a step. The comparison to 3D simulations shows its relevance at short relaxation times. This work paves the way to the study of transient flows of capsules confined in microfluidic devices

Les écoulements rampants, recirculants et instationnaires d'un fluide viscoplastique autour d'un cylindre ont été étudiés.Numériquement, les morphologies des écoulements, la localisation des zones rigides, les champs de contraintes et pression autour du cylindre ainsi que le coefficient de traînée, ont été déterminés sur un large domaine des nombres de Reynolds et d'Oldroyd.Expérimentalement, les fluides étudiés sont des gels de polymère Carbopol®. Le comportement élastoviscoplastique de ces gels a été modélisé par une loi d'Herschel-Bulkley adaptée. Le montage expérimental conçu et réalisé a été validé par l'étude de l'écoulement d'un fluide newtonien autour d'un cylindre et la mise en place d'une procédure adaptée pour les fluides à seuil.On a pu constater l'influence des conditions d'interface avec l'apparition d'une morphologie de lâchers de tourbillons simultanés et symétriques.

Ce travail de thèse concerne les écoulements de fluides à seuil de contrainte autour d‘un obstacle cylindrique en milieu confiné avec une configuration d‘écoulement de Poiseuille.Expérimentalement, un banc d‘essai permettant d‘obtenir un écoulement en continu dans un circuit fermé a été mis en place. Les régimes d‘écoulement rampant, recirculant et instationnaire périodique ont été étudiés. De nouveaux résultats ont été obtenus avec un fluide newtonien et des solutions de Carbopol, polymère permettant de réaliser des fluides à seuil modèles utilisés en recherche et développement et dans l‘industrie. Une caméra rapide et un éclairage plan laser a servi pour l‘établissement d‘images qui ont ensuite été traitées par PIV. Les champs de vitesses cinématiques, les morphologies d‘écoulement et les paramètres critiques de transitions de régimes ont été déterminés.Numériquement, un modèle viscoplastique basé sur la loi de Herschel-Bulkley régularisée a été utilisé. Des résultats comme les morphologies d‘écoulement, la localisation des zones rigides, les champs de vitesses ont été obtenus. Ceci a permis de comparer les différences entre les effets liés à la nature des gels de Carbopol et la modélisation viscoplastiques. Une étude spécifique sur le glissement à l‘interface fluide-structure a également été réalisée avec l‘utilisation d‘un modèle de lubrification élasto-hydrodynamique
The flow of yield stress fluids around a circular cylinder in a confined geometry has been investigated with a Poiseuille flow configuration.Experimentally, a test set-up was built which provides a continuous flow in a closed loop. We studied creeping, recirculating and vortex shedding flow regimes. New results has been realised with a Newtonian fluid and Carbopol solutions, models for yield stress behaviour in laboratory experiments and in industry. A high speed camera and a laser sheet have been used to perform images which are treated by PIV. Kinematic fields, flow morphologies and critical transition parameters have been determined.Numerically, a viscoplastic model based on the regularised Herschel-Bulkley law has been used. Results as flow morphologies, rigid areas and local flow parameters fields have been performed. That allowed us to compare the intrinsic effects of Carbopol solutions and the viscoplastic numerical model. A specific study on the wall slip has also been considered with an elasto-hydrodynamic lubrication model

Lors de la formation du point chaud dans une expérience de Fusion par Confinement Inertiel, le plasma au centre de la sphère de deutérium-tritium peut être loin de l'équilibre thermodynamique local. Dans la première partie, on décrit donc un modèle cinétique ionique de type Vlasov-Fokker-Planck susceptible de prendre en compte ces déséquilibres. Après avoir rappelé les grandes étapes pour résoudre numériquement le système obtenu, on introduit la notion de moyenne entropique pour définir un nouveau schéma numérique traitant les collisions ion-électron homogènes en espace. Ce schéma est conservatif, stable et entropique sous un critère de type CFL dans sa version explicite. Dans sa version semi-implicite, on établit que ce schéma conserve l'équilibre thermodynamique. Le temps de calcul pour résoudre les équations cinétiques étant très important, il est nécessaire d'étudier la possibilité de ne résoudre ces équations que là où c'est nécessaire c'est à dire principalement au centre de la sphère de deutérium-tritium. Dans la seconde partie, on propose donc une technique de couplage cinétique-fluide, la formation du point chaud étant traitée avec le modèle cinétique, le reste avec les équations d'Euler à deux températures (températures ionique et électronique). Les ions deutérium et tritium pouvant ne pas être à l'équilibre thermodynamique, on s'est ensuite posé la question de la validité des formules analytiques donnant le taux de réaction nucléaire, formules établies en supposant que le plasma est à l'équilibre thermodynamique. Dans la troisième partie, on propose donc une méthode de type Monte-Carlo pour résoudre numériquement les équations cinétiques de type Boltzmann qui décrivent les réactions de fusion thermonucléaire et on montre qu'effectivement, les déséquilibres thermodynamiques rencontrés lors de la formation du point chaud peuvent invalider les formules usuelles.

碩士
國立成功大學
水利及海洋工程學系碩博士班
98
The study on the behavior of elastic wave propagation and attenuation through a fluid-containing porous medium is a central topic in hydrogeophysics. It has been demonstrated recently that the behavior can be well described by the theory of poroelasticity precisely. However, due to the fact that the model equations are decoupled in inertial and viscous coupling terms so that it is impossible to obtain exact analytical solutions for boundary problems, except in few special cases. In the current study, we utilize the finite difference method to disperse the governing partial difference equations and then numerically examine the characteristics of wave propagation and attenuation to gain physical insight on the influence of inertial effect on the pore pressure of two immiscible fluids and the stress of solid. As an illustrative example, a semi-infinite Columbia Fine Sandy Loam containing two immiscible fluids (water-oil) subject to a stress-excitation boundary on the left side and an impermeable boundary on the up and down sides is investigated at seismic frequencies (1Hz, 10Hz, and 100Hz). Our numerical results show that the decay degree of the stress and pore fluid pressures increase with an increase in travel distance of elastic waves, excitation frequencies, and relative saturation of the non-wetting fluid. Most importantly, it is noted that as relative saturation of the non-wetting fluid takes the value from 0.8 to 0.84 and excitation frequency ranges 8Hz to 80Hhz, the total stress in the dynamic model (with inertial terms) yield a cyclic response while this attribute can not be observed in the diffusive model (inertial terms neglected).

碩士
國立成功大學
水利及海洋工程學系碩博士班
95
A lot of attention has been paid for acoustic wave propagation through porous media containing muti-phase fluids on the application of poroelasticity in recent years. We considered the coupling of inertial drag and viscous drag in this discussion. To apply Lo et al. model (2005), it is explicative to the behaviors of elastic waves in an elastic porous medium permeated by two immiscible, compressible and viscous fluids. The characteristics of dilatational waves for a homogeneous porous medium analysed through linear Stress-Strain relation and a general set of coupled partial differential equations derived from continuum mechanics of mixtures to describe these phenomena. The existence of three different motive modes of dilatational wave was solved to explain by the dispersion equations in a matrix form. These wave modes were called by P1, P2 and P3 in the magnitude of wave speed order, so as to talk about them. Nowadays, it has been known from previous issues concerning wave propagation for an two-fluid system in unconsolidated porous media that P1 mode, which results from in-phase motions of the solid framework and the two fluids, moves with a speed equal to the square root of the ratio of an effective bulk modulus to an effective density of the fluid-containing porous medium, regardless of excitation frequency. The nature of the pore-fluids saturation and excitation frequency exert different measurable influence on the attenuation of the P1 wave and the speed and attenuation of the two diffusive modes (P2 and P3). The P2 wave results from out-of-phase motions of the solid framework and the fluids. After that, the lowest velocity of three dilatational waves propagating is P3 which arise from the presence of a second fluid in the pore space. The speed and attenuation of the two diffusive modes (P2 and P3) were associated with an effective dynamic shear viscosity of the pore fluids. In three dilatational waves there are different from the others on complex physical mechanisms, which probably concealed certain of the coupling relations, such as inertial and viscous forces. Following this research of three waves, we took material parameter for Columbia Fine Sandy Loam Saturated with either an air-water or oil-water mixtures. The behaviors of dilatation wave were examined by the relative change of fluid saturation and wave excitation frequencies (50 and 200 Hz). The numerical simulations were accessible to assess the effects of inertial coupling and viscous coupling on account of the speed and attenuation of three waves. An assessment of inertial coupling in this fixed condition controlled was closely associated with tortuosity factor as compared with Lo et al. model (2005), besides it depended on volume fraction and material density of two phases. In conclusion, inertial coupling is neglected for low range of excitation frequencies. On the other hand, the suppression of viscous coupling involve generalized relative permeabilites or mobilities due to transport equations as a result of stretching Darcy’s law. Recently transport equations developed for two-phase flow through porous media have another term that has been included to account properly for interfacial coupling between the two flowing phases. Fluids have not only different material viscosity but also different material permeability. The porous media is saturated by fluids according to a relative proportion. Therefore, viscous coupling parameters were associated with relative saturation of fluid phase and generalized relative permeabilites and material viscosities of the fluid. We use generalized relative permeabilites to correct relative permeabilites of the wetting and nonwetting fluids in the theoretical pore size distridution model of Mualem (1976) by The interfacial coupling parameter. The interfacial coupling parameter controls the amount of viscous coupling. The effect of viscous coupling was not involved in the speed of P1 wave, but took part in the attenuation of P1 wave. The result showed different effect of viscous relations was dissimilar greatly in the speed and attenuation of P2 or P3 wave. Furthermore, our numerical results demonstrated that the viscous coupling effects for immiscible phase flowing in porous media are not implicated to ignore practically.

碩士
中原大學
機械工程研究所
92
Combined effects of inertial and Brownian diffusion on particle deposition of a second-grade non-Newtonian fluid onto wedges are reported. When the fluid flows elastically, the motion of particles has a great effect upon the inertia and elastic. Particles suspended in the non-Newtonian fluids deposition onto a surface in plate flow are of significance in a wide range of physical applications, such as the polymer welding and chemical industry processes. The governing equations include the continuity, momentum, energy and concentration equations of a second-grade non-Newtonian fluid and define the elastic parameter (E). The solution methods are used not only similar transformation but perturbation technique for the governing equations. In numerical analysis, the equations are solved by the fourth-order Runge-Kutta integration and shooting method. The results include zero-grade and first-grade velocity profiles, temperature and concentration distributions then calculate particle deposition velocity. In the zero-grade part, the physics phenomenon is alike the Newtonian fluid; in the first-grade part, it has a greater effect on angle. In addition, we can find that the particle deposition rates are controlled by Brownian diffusion and thermophoresis effect for ultra-small particle sizes. However, when the particle size increases, the inertial and elastic effect become more and more important and Brownian diffusion effect maybe negligible. Finally, at m=1, the effect of angle is more than the effect of fluid flow, thus it piles up the particles near the wall. At m = 0, the effect of angle is smaller and the effect of elastic parameter makes velocity profiles change apparently in boundary layer. As the result, the particle deposition velocity varies very much. Furthermore, the elastic parameter enhances the effect of inertia.

Ce travail de thèse aborde l'hydrodynamique régissant un grand nombre d'applications industrielles mettant en œuvre des fluides à seuil de contrainte. Il s'intéresse plus particulièrement à l'étude du problème de base de la mécanique des fluides que constitue l'écoulement d'un fluide autour d'obstacles cylindriques.
Dans un premier temps, le domaine des grands nombres d'Oldroyd, peu abordé dans la littérature, a été examiné en s'intéressant plus particulièrement aux aspects cinématiques et dynamiques. Les effets d'inertie sont négligés. Le cas d'un seul obstacle cylindrique et celui de deux obstacles cylindriques en interaction ont été étudiés numériquement. Les résultats concernant les zones rigides, la stabilité, la couche limite viscoplastique ont été présentés en fonction du nombre d'Oldroyd. Expérimentalement, le cas du cylindre seul a été examiné par la mesure de la traînée et la caractérisation des champs de vitesses par vélocimétrie par image de particules. Le fluide à seuil de contrainte utilisé a été l'objet d'une caractérisation rhéométrique approfondie. Les résultats expérimentaux ont permis de comparer les effets de la nature élastoviscoplastique du gel utilisé aux résultats obtenus avec des lois viscoplastiques existantes.
Dans un second temps, les effets d'inertie ont été pris en compte. Une étude expérimentale a été menée sur l'écoulement autour d'un obstacle cylindrique plongé dans une cuve tournante. Cette étude, complétée par une simulation numérique, a permis d'identifier l'influence de la plasticité, de la rhéofluidification et de l'élasticité sur le sillage derrière un obstacle cylindrique dans un fluide à seuil de contrainte. La zone de recirculation présente dans le régime laminaire stable et la transition entre ce régime et le régime laminaire avec détachement de tourbillons ont été spécialement examinées.