Etude expérimentale du tourbillon en fer à cheval au pied d'un obstacle émergent dans un roulement laminaire à surface libre

Experimental study of the horseshoe vortex at the foot of a emergent obstacle in a laminar free-surface flow

• Auteur / Autrice : Gaby Launay
• Direction : Richard Perkins, Nicolas Rivière, Emmanuel Mignot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 17/11/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Borée
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Richard Perkins, Nicolas Rivière, Emmanuel Mignot, Hélène Roux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jacques Borée, Lionel Schouveiler

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tourbillons (mécanique des fluides)

Écoulement laminaire

Mots clés libres

TFC

Écoulement à surface libre

Obstacle émergent

PIV

Suivis de vortex

Typologie

Dynamique de vortex

HSV

Free-surface flow

Emerging obstacle

PIV

Vortex tracking

Typology

Vortex dynamics

Résumé

La rencontre entre une couche limite laminaire se développant sur une plaque plane sous une surface libre et un obstacle rectangulaire émergent mène à l’apparition d’une zone de recirculation complexe appelée tourbillon en fer à cheval à l’amont de l’obstacle. Cette zone de recirculation est composée d’un certain nombre de vortex s’enroulant autour de l’obstacle et pouvant présenter des dynamiques variées. Le but de ce travail est de réaliser une étude expérimentale paramétrique du tourbillon en fer à cheval laminaire et faiblement turbulent. Les mesures sont réalisées par PIV et par trajectographies et des méthodes de détection basés sur la décomposition modale (POD) et la détection des points critiques sont utilisées afin de faciliter l’étude de la dynamique tourbillonnaire. Ce manuscrit se propose de : (i) Déterminer l’évolution des caractéristiques du tourbillon en fer à cheval en fonction des paramètres adimensionnels de l’écoulement. (ii) Mettre en place une typologie des différentes dynamiques exhibées. (iii) Déterminer les mécanismes à l’origine de l’apparition de ces différentes dynamiques à l’aide d’un modèle conceptuel. (iv) Et finalement, étudier l’influence de la longueur de l’obstacle sur le tourbillon en fer à cheval.

A laminar boundary layer developing under a free-surface and interacting with an emerging obstacle lead to the creation of a complex recirculation zone called horseshoe vortex upstream from the obstacle. This recirculation zone is composed of a given number of vortices wrapping around the obstacle with various kind of dynamics. The aim of this work is to perform an experimental parametric study of the laminar, and slightly turbulent horseshoe vortex. Measurements are obtained by PIV and trajectographies and detection method based on modal decomposition (POD) and critical points are used to ease the study of the vortex dynamics. This manuscript intends to : (i) Explain the horseshoe vortex main characteristics evolution with the non-dimensional parameters of the flow. (ii) Define a typology of the different observed vortex dynamics. (iii) Identify the physical mechanisms at the origin of those dynamics through the use of a conceptual model. (iv) And finally, show the influence of the obstacle length on the horseshoe vortex.