Influence de la condition à l'interface air-eau sur la stabilité d'un écoulement tournant : exploration numérique et experimentale

Influence of air-water interface condition on rotating flow stability : experimental and numerical exploration

• Auteur / Autrice : Antoine Faugaret
• Direction : Laurent Martin Witkowski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des Fluides
• Date : Soutenance le 25/09/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique pour la mécanique et les sciences de l'ingénieur (Orsay, Essonne ; 1972-2020)
• Jury : Président / Présidente : Arnaud Antkowiak
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurette S. Tuckerman, Emmanuelle Rio, Yohann Duguet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Valéry Botton, David Fabre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse numérique

Stabilité

Surfaces (physique)

Disques en rotation

Tourbillons (mécanique des fluides)

Mots clés libres

Écoulement tournant

Tension de surface

Simulations

Condition limite à l’interface air-eau

Expérimental

Analyse de stabilité linéaire

DNS

LDV

Rotating flow

Surface tension

Simulations

Boundary condition at the air/water interface

Experimental

Linear stability analysis

DNS

LDV

Résumé

Notre étude porte sur la première instabilité qui apparait dans un écoulement engendré par un disque tournant au fond d'une cavité cylindrique fixe, avec une interface liquide-gaz non déformée. Grace à la double approche numérique et expérimentale, nous révélons un écart important sur le seuil d'apparition de cette instabilité. Après avoir supposé et infirmé que des vibrations d'origine mécanique puissent être responsables de ces écarts, notre étude s'est orientée sur l'influence de la condition limite à l'interface utilisée dans les simulations. Nous montrons que la condition de glissement libre ne permet pas de simuler le même écoulement que dans les expériences. Dans le but de réduire ces différences, nous explorons successivement plusieurs modélisations de cette interface. La prise en compte des variations de la tension de surface en fonction de la concentration d'un polluant à l'interface à notamment permis de réduire considérablement l'erreur commise sur le nombre de Reynolds critique, et de reproduire plus fidèlement l'écoulement dans les simulations.

Our study focuses on the first instability that appears in a flow generated by a rotating disc placed at the bottom of a fixed cylindrical cavity, with a flat liquid-gas interface. Owing to the dual numerical and experimental approach, we highlight a robust mismatch on the threshold of this instability. After having assumed and later ruled out that mechanical vibrations could be responsible for these mismatches, this investigation has focused on the boundary condition used in simulations at the interface air-water and its influence on the flow. We show that the free slip condition does not allow to simulate the same flow as in the experiments. Several models of this interface are explored in order to reduce the mismatches. In particular, taking into account variations in surface tension depending on the concentration of a pollutant at the interface results in a considerable reduction of the error on the critical Reynolds number, and to a more accurate reproduction of the flow in the simulations.