Contribution à l'étude expérimentale des écoulements à surface libre : application à l'interaction de sillages et à l'écoulement dans un sluice artisanal

Contribution to the experimental study of free surface flow : application to the interaction wake pattern and flow in a sluice-box

• Auteur / Autrice : Toky Nandrasana Ramanakoto
• Direction : Dominique Rajaona, Eddy Harilala Rasolomanana
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hydrodynamique
• Date : Soutenance le 28/10/2014
• Etablissement(s) : Le Havre en cotutelle avec Université d'Antananarivo
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; ....-2016)
• Jury : Président / Présidente : Roger Randrianja
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eddy Harilala Rasolomanana, Roger Randrianja
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jacques-André Astolfi, Adolphe Ratiarison

Mots clés

Mots clés contrôlés

ANSYS (système informatique)

Tourbillons (mécanique des fluides)

Sillage (dynamique des fluides)

Mots clés libres

Sluice

Strouhal

ALongueur et recirculation

PIV

Pod snapshot

Trainée et portance

Résumé

ALe travail réalisé dans le cadre de cette thèse en co-tutelle est à cheval entre deux domaines d’étude de l’interférence de sillage d’obstacle non profilé (soit un cylindre ou deux cylindres en tandem) et celle des zones de recirculations dans un sluice artisanal (un appareil de tri d’or). Notre étude contribue à l’étude des écoulements à surface libre par combinaison de quelques méthodes expérimentales. Nous avons couplé quelques techniques entre autres la visualisation de la topologie du sillage proche par la caméra CCD embarquée, les mesures des champs de vitesse par PIV et des efforts hydrodynamiques. Ainsi, le cylindre animé d’un mouvement uniformément accéléré/décéléré est caractérisé par les forces de traînée et de portance, les enveloppes des maximas, la longueur de le zone de recirculation et le nombre de Strouhal local. Dont ce dernier a une valeur avoisinant de 0.4 près de la surface libre. Et entre deux pics de la portance, le déferlement de la vague d’accompagnement est observable. L’interférence entre deux structures est simulée à travers deux cylindres et que sur une configuration symétrique, le paramètre de proximité B a tendance à accroître la longueur de la zone de recirculation. Les méthodes et dispositifs expérimentales décrites ci-dessus sont appliqués dans le cas d’écoulement hydrodynamique turbulent au sein du sluice. Les essais sur sites aurifères à Madagascar ont permis la collecte des informations sur les paramètres optimums du tri. Ces paramètres sont pris comme base initiale des travaux de laboratoire entamés sur une maquette à l’échelle 1. L’acquisition par PIV suivi des traitements statistique à multi-variables POD Snapshot nous a permis de créer un modèle expérimental de l’écoulement composé de 4 zones distinctes. L’étude expérimentale a été complétée par une simulation numérique par ANSYS14.5 ; qui nous a permis de conclure que l’approchement des riffles entraîne une diminution de la zone favorable du dépôt des minerais lourds.

Two major areas are focused in the thesis. The first investigates the interference due to a wake-pattern of non-profiled obstacles (such as one or two cylinder in tandem). The second characterizes the zone of recirculation inside an artisanal sluice-boxe, which is a device for gold extraction. The work contributes to the study of the flow of a free-surface using experimental methods. Also, a few approaches is combined for the investigation. In this regard, the near-wake pattern of the flow is examined using an embedded CCD camera, correlated to a PIV measurement of the velocity fields and the hydrodynamic forces. We found that a cylinder of uniform motion, accelerated or decelerated, is characterized by: the drag and the lift forces, the envelopes of maxima, the length of the recirculation zone and the local Strouhal number. The Strouhal number approaches the value of 0.4 next to a free-surface and a breaking wave is observed in-between two peaks of the lift force. We modeled the interference between two structures using a succession of two cylinders. The proximity parameter B tends to an increase of the recirculation length for a symmetrical arrangement.Our methods and the experimental procedures are applied for the examination of a turbulent hydrodynamic flow inside a sluice. Tests were performed on gold sites in Madagascar. This permitted the collection of information concerning the optimum parameters for an extraction. The obtained values form the basis of our laboratory work and are applied to a scaled model for validation. An experimental flow model, made of four distinct zones, is derived from a monitored PIV data and a statistical analysis of a multi-variable POD snapshot. The results are validated through simulations using the package ANSYS 14.5. The investigation shows that a closer riffles reduces the region for heavy minerals deposition.