Étude de l'écoulement de Dean alterné pulsé : mise en évidence du comportement chaotique

• Auteur / Autrice : Brahim Timité
• Direction : Hassan Peerhossaini, Cathy Castelain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Transferts thermique et énergétique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mécanique, thermique et génie civil (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : École polytechnique universitaire de Nantes Université

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaos (théorie des systèmes)

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Écoulement tridimensionnel

Résumé

Ce travail a pour objectif, l'étude numérique et expérimentale d'un écoulement tridimensionnel ouvert dépendant du temps qui améliore le mélange par génération de trajectoires spatialement chaotiques : il s'agit de l'écoulement de Dean alterné pulsé en régime laminaire. L'étude numérique est rendue possible par l'intégration d'un sous programme, qui permet l'introduction d'un champ de vitesse pulsé en entrée, dans le code de calcul Fluent. Le dispositif expérimental construit est constitué principalement d'un générateur de pulsations à mécanisme de “Scotch-Yoke'' et d'une série de six coudes alternés de 90°. Le choix du mécanisme de pulsation a été validé par des mesures du champ de vitesse axiale par vélocimétrie laser à effet Doppler. Les vitesses moyennes instantanées obtenues expérimentalement sont des sinusoïdes et sont en accord avec les prédictions analytiques. Des visualisations par fluorescence induite par laser et des mesures de vitesse, couplées aux résultats numériques, ont permis d'analyser l'évolution des structures tourbillonnaires de l'écoulement secondaire qui se développent au sein des coudes durant la pulsation en fonction du nombre de Reynolds stationnaire ( ), du paramètre de fréquence ( ), et du rapport d'amplitude de vitesse. Dans le premier coude, la structure de l'écoulement secondaire est constamment modifiée par l'apparition de l'instabilité de Lyne, et d'un effet siphon pour les grandes valeurs du paramètre ( ) pendant la phase de décélération. Cependant, l'instabilité de Lyne observée dans le premier coude disparaît dans les autres coudes. Ces perpétuelles modifications des structures tourbillonnaires de l'écoulement secondaire sont un facteur de génération de trajectoires '' plus '' chaotiques. L'étude numérique a permis de mettre en évidence les propriétés chaotiques de l'écoulement par suivi de particules le long de la structure d'étude, et de quantifier le mélange de deux traceurs passifs. L'aspect chaotique de l'écoulement a été mis en évidence expérimentalement par le suivi de la déformation d'une tache de traceur. L'analyse de l'étirement des taches a montré que le caractère pulsé conduit à la production d'un écoulement chaotique engendrant un meilleur mélange.

This work presents both a numerical and an experimental study of the three-dimensional pulsatile flow which improves mixing by generation of spatially chaotic trajectories; the alternated pulsated Dean flow. The numerical study is performed by the CFD code Fluent. 6, in which a pulsated velocity field has been imposed as inlet condition. The experimental set-up is constituted of a pulsatile generator “Scotch-Yoke” and a series of six alternated 90° bends. Laser Doppler Velocimetry measurements have shown the “Scotch-Yoke” generator produces pure sine instantaneous mean velocities in a straight pipe. Visualizations by laser induced fluorescence technique and velocity measurements, coupled with numerical results, made it possible to analyze the evolution of the swirling structures of secondary flow which develop in the bends during the pulsation. These measurements have been carried out for a range of steady Reynolds numbers ( ), frequency parameter ( ), and for two amplitude ratios ( ). For the high values of (), in the first bend, the secondary flow structure is modified by the Lyne instability and a siphon effect during the deceleration phase. However, the Lyne instability observed in the first bend disappears in the other bends. These modifications of secondary flow structures are a factor of chaotic trajectories generation. The numerical study allows to show the chaotic flow properties using the particles tracking all along the six alternated bends and to quantify the mixing of two passive tracers. The chaotic feature of the flow has been experimentally shown by deformation of a tracer blob. The analysis of blob stretching showed that the pulsated flow leads to the generation of a chaotic flow producing a better mixing.