Interactions entre la dynamique d'une bulle et les instabilités de son sillage

• Auteur / Autrice : Guillaume Mougin
• Direction : Jacques Magnaudet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interaction fluide-structure

Instabilités hydrodynamiques

Sillage (dynamique des fluides)

Bulles

Simulation par ordinateur

Mécanique des fluides

Résumé

Ce travail est consacré à la détermination du rôle du sillage sur les instabilités de trajectoires des bulles isolées en ascension dans un liquide au repos. Pour la première fois, une étude du sillage d'une bulle fixe et de forme imposée dans un écoulement uniforme est réalisée par résolution directe tridimensionnelle et instationnaire des équations de Navier-Stokes. La forme de la bulle est ellipsoi͏̈dale avec un rapport de forme compris entre 2 et 2,5, et le nombre de Reynolds considéré s'élève jusqu'à 3000. Les différentes étapes de l'évolution du sillage sont décrites et comparées avec le cas plus classique du sillage d'une sphère solide. Les deux cas d'écoulement présentent des instabilités et des topologies de sillage similaires, bien que le mode de génération de la vorticité à la surface du corps soit différent. Afin d'établir le lien entre ces instabilités de sillage et les instabilités de trajectoire des bulles millimétriques, un outil numérique couplant les équations du mouvement d'un corps rigide libre de se déplacer est développé. Cette modélisation, appliquée à une bulle de forme ellipsoi͏̈dale imposée afin de séparer les effets de sillage des effets de la déformation de la bulle, permet de retrouver les trajectoires en zigzag et en hélice observées expérimentalement. Une description fine des structures tourbillonaires qui se développent dans le sillage et une étude de l'évolution des efforts hydrodynamique subis par la bulle montrent finalement comment le système couplé aboutit à ces trajectoires.