The Dynamics and stability of flows around rolling bluff bodies

• Auteur / Autrice : Bronwyn, Elaine Stewart
• Direction : Thomas Leweke
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 1
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Provence. Section sciences - Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre (IRPHE) (Marseille)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement bidimensionnel

Écoulement tridimensionnel

Instabilités hydrodynamiques

Tourbillons (mécanique des fluides)

Résumé

Une étude numérique et expérimentale de l’écoulement autour de corps roulants ou glissants est présentée. La géometrie des corps étudi´es est soit sphérique soit cylindrique, et le nombre de Reynolds, bas´e sur le diam`etre et la vitesse de translation du corps, est limité à des valeurs inferieures à 500. Cette plage de valeurs est suffisante pour capturer les premières transitions bi- et tri-dimensionnelles de l’écoulement. Le but de cette ´etude est de comprendre l’interaction des effets d’une rotation et de la proximité d’une paroi sur le sillage d’un corps non-profilé, quand ces deux effets sont présents simultanément. Dans le cas d’un cylindre roulant le long d’une paroi, des simulations bi- et tri-dimensionnelles ainsi qu’une étude de stabilité linéaire ont été effectuées. L’écoulement autour d’une sphère, roulant ou glissant le long d’une paroi, est étudié expérimentalement et par des simulations numeriques tri-dimensionnelles. L’espace des paramètres considéré est défini par le nombre de Reynolds et le taux de rotation adimensionné du corps, α. Pour un corps se déplaçant le long d’une paroi dans un fluide au repos, ce taux est donné par le rapport de la vitesse tangentielle àla surface du corps et de la vitesse de translation du corps. Cinq valeurs, entre α = 1 et α = −1 ont été considérées. Cette plage décrit des situations allant du roulement normal’, o`u il n’y a pas de glissement entre le corps et la paroi, au roulement ‘inversé’, où le corps tourne dans la direction opposée. Cette plage correspond à la plage de taux de rotation observée expérimentalement pour des corps roulant librement avec et sans effet de lubrification. [. . . ]

A numerical and experimental study of the flow around rolling and sliding bodies is presented. The body geometry is fixed as being either spherical or cylindrical and the Reynolds number of the flow is restricted to Re ≤ 500. This range is sufficient to capture the primary two- and three-dimensional transitions in the flow. The primary aim of this study is to understand the effects of body rotation and a nearby wall on the flow transitions when these effects are acting in tandem. In the case of the cylinder moving along the wall, both two- and three-dimensional flows are investigated and the results of a linear stability analysis are reported. The flow around a rolling and sliding sphere is investigated using both experiments and three-dimensional simulations. The parameter space under consideration is defined in terms of the Reynolds number, based on the body diameter, and the rotation rate of the body, α. For a body moving along a wall in a quiescent fluid, the rotation rate corresponds to the ratio of tangential velocity on the surface of the body to the translational velocity. Five discrete values of the rotation rate have been selected, α = 1, 0. 5, 0, −0. 5 and −1. These range from ‘normal’ rolling, where there is no slip between the body and the wall, to reversed rolling, where the body rotates in the opposite sense. This range is selected to correspond with the range of rotation rates observed in experiments of freely rolling bodies with and without lubrication effects. [. . . ]