Etude 3D d’un tourbillon dans un champ de houle par holographie numérique

3D study of a vortex dynamics under water waves by digital in-line holography

• Auteur / Autrice : Benoît Lebon
• Direction : Jérôme Brossard, Denis Lebrun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mecanique des fluides
• Date : Soutenance le 15/02/2017
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; ....-2016)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université du Havre (1984-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire ondes et milieux complexes (Le Havre, Seine-Maritime)
• Jury : Président / Présidente : Laurent David
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques-André Astolfi, Gaële Perret
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent David, Emmanuel Porcheron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vagues

Vélocimétrie par images de particules

Tourbillons (mécanique des fluides)

Holographie numérique

Mots clés libres

Mesures 3D

Digital holography

Particle image velocimetry

Vortex

Waves

Résumé

Cette thèse traite de l'application de l'holographie numérique dans l'axe à l'étude d'une dynamique tourbillonnaire dans un champ de houle. Lors du passage de la houle au dessus d'une structure immergée, des tourbillons se forment à ses extrémités. Ces tourbillons ont un impact fort sur la dynamique proche des structures et peuvent engendrer des problèmes d'affouillement ou de vieillissement prématuré. On s'intéresse donc à la dynamique tridimensionnelle de ces tourbillons qui sont rapidement l'objet de déformations menant à leur éclatement. Pour étudier ce mécanisme, le problème est modélisé par une géométrie simple, une plaque soumise à une houle monochromatique. Les expériences sont menées dans un canal à houle de 10 m de long et 30 cm de large. Pour mesurer la dynamique 3D on utilise une technique innovante, l'holographie numérique qui permet une mesure 3D3C au moyen d'une diode laser et d'une seule caméra. Ses principales limitations résident dans la dimension de la section du volume de mesure, qui est de l'ordre de la surface du capteur CCD, ainsi que du nombre de particules présentes dans le champ. Toutefois, l'holographie permet une résolution de l'ordre de la taille d'un pixel dans le plan du capteur CCD et de 3 à 5 fois le diamètre de la particule suivie dans la direction orthogonale au capteur. Ces mesures permettent de suivre individuellement plusieurs centaines de particules dans le champ et d'en mesurer les vitesses. Enfin des mesures complémentaires en stéréo-piv confirment les résultats obtenues par holographie et permettent l'étude du confinement du tourbillon sous l'action combinée de la surface libre et de la plaque.

This thesis deals with the use of digital in-line holography to the study of a vortex dynamics under water waves. As waves propagate above an immersed structure, vortices are formed at its edges. Those vortices have a strong impact on the flow dynamics in the vicinity of structures and can cause scouring or damages. Thus we are interested in the three-dimensional dynamics of those vortices which are quickly distorted, leading to their breakup. To study this dynamics, the physical problem is modelled by a basic geometry, a thin plate is set under monochromatic waves. Experiments are conduct within a wave flume of dimensions 10 m long and 30 cm width. To measure the 3D flow the use of an innovative technique, the digital holography which allow a 3D3C measure with only one camera and a laser diode. Its main limitations are the size of the cross-section of the sample volume and the number of particles allowed in it. However, digital holography can localize particles with a pixel sized resolution within the plans parallel to the CCD sensor and a depth resolution in the order of 3 to 5 times the particles diameter. Those measurements enable to follow the path of each particle inside the sample volume. Finally, acquisition by stereo particle image velocimetry confirms the velocities measured by holography and are used to study the interaction between the vortex and the combined action of free surface and the plate.