Etude expérimentale de la réduction de trainée par injection de bulles dans une couche limite turbulente décollée redéveloppée

Experimental Study of the Bubbly Drag Reduction in the Recovery Region of a Separated Turbulent Boundary Layer

• Auteur / Autrice : Jishen Zhang
• Direction : Jean-Yves Billard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie énergétique (AM)
• Date : Soutenance le 12/12/2019
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche de l'Ecole navale (Brest)
• Jury : Président / Présidente : Éric Climent
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Yves Billard, Mohamed Farhat, Gaëlle Perret, Antoine Dazin, Céline Gabillet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed Farhat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Mots clés libres

Couche limite turbulente

Écoulement diphasique

Reduction de la traînée

Turbulent boundary layer

Biphasic flow

Drag reduction

Résumé

Cette étude s’inscrit dans le contexte de la réduction de la résistance visqueuse descarènes de navire par injection de bulles sous la coque. Nous avons réalisé des expériencesd’injection de bulles dans la zone de redéveloppement d’une couche limite turbulente décollée.Les expériences ont été menées dans le tunnel hydrodynamique de l’École Navale. Des bullesd’air ont été injectées en aval de la zone de recirculation d’un obstacle bidimensionnel carrémonté à la paroi supérieure du tunnel. Le champ de vitesse a été caractérisé par Particle ImageVelocimetrie (PIV) dans le plan vertical de l’amont de l’obstacle et jusque dans la zone deredéveloppement. L’écoulement diphasique à bulles a été étudié pour une position longitudinalesituée dans la zone de redéveloppement de la couche limite. Les caractéristiques de la phasegazeuse ont été obtenues par visualisations ombroscopiques. La réduction de frottement estobservé au maximum de 35% à 6 m/s. Physiquement la présence des bulles entraine unedécorrélation des fluctuations de vitesse longitudinales et normales dans la zone interne et desfluctuations du mouvement des bulles dans la direction normale à la paroi qui peuvent êtreassociées à la modification observée du frottement.

The bubbly drag reduction in turbulent flow is of significant interest in the navalindustry, particularly to reduce the viscous resistance of ships hulls. This thesis is focused onexperimental observations of the recovery region of a separated turbulent boundary layer in bothsingle-phase and bubbly flows. The experiments were performed in the Cavitation WaterTunnel of the French Navy Academy Research Institute. Air bubbles of intermediate size (0.4-1.3mm) were injected in the recovery region downstream of the recirculating region of a 2Dsquare obstacle (of height h = 16 mm) mounted at the upper wall of the tunnel. The single-phaseflow velocity field was characterized in the vertical plane using Particle Image Velocimetry(PIV) technique in 11 stream-wise measuring stations from upstream of the obstacle down to therecovery region. The gas-phase velocity field in the vertical plane, the gas volume fractiondistribution and the bubble size were characterized by means of Shadowgraphy. A maximumlocal viscous drag reduction DR of 35% is achieved for 6 m/s. The bubbly drag reduction ispromoted by the increase of the velocity and enhanced by increasing the air injection rate. Wesuggest that bubbles can induce a decorrelation between the stream-wise and wall normalfluctuating velocity in the inner layer, but most of the bubbly drag reduction is attributed to thewall normal fluctuating motion of the bubbles.