Etudes expérimentales en fluide stratifié : couche limite et interactions fluide-structure

Experimental studies in stratified fluid : boundary layer and fluid-structure interactions

• Auteur / Autrice : Sarah Christin
• Direction : Patrice Meunier, Stéphane Le Dizès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 22/10/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre (IRPHE) (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel de Langre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-yves Passaggia
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Patricia Ern, Chantal Staquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Stratifiés

Interaction fluide-structure

Fluides

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Fluide stratifié

Couche critique

Couche limite

Interactions Fluide-Structure

Sratified fluid

Critical layer

Boundary layer

Fluid-Structure Interactions

Résumé

Cette thèse présente deux études expérimentales en milieu stratifié, i.e. possédant un gradient vertical de densité. Nous traitons des conséquences d’une telle caractéristique dans deux cas classiques de mécanique des fluides, considérant d’une part un écoulement de couche limite et d’autre part un problème d’interaction fluide-structure.La couche limite étudiée est générée par un plan incliné transversalement d'un angle α. Une approche théorique montre que le profil usuel de Blasius peut-être retrouvé, mais superposé à un écoulement transverse du fait de l’angle introduit. Cet écoulement est ensuite perturbé par des ondulations transverses de la plaque qui induisent une divergence de l’écoulement transverse, se traduisant par l’émission d’ondes internes localisées dans la couche limite. Réalisant alors des expériences, nous observons ce phénomène pour la première fois grâce à de la vélocimétrie par images de particules. Les résultats montrent un bon accord quantitatif entre les prédictions théoriques et les mesures expérimentales. Dans un second temps nous présentons la première étude de ‘’vortex induced vibration’’ (VIV, phénomène d'oscillation d'un objet induit par le détachement tourbillonnaire de son sillage) en fluide stratifié. Pour cela, nous avons tracté des cylindres attachés à des bras rigides pouvant tourner autour d’un axe horizontal. Les expériences ont mis en évidence l'existence de deux régimes d'oscillation : le premier est interprété comme de la VIV, et le second comme résultant d'une instabilité

This thesis presents two experimental studies in density stratified flows, i.e. which have a vertical density gradient. We will consider the influence of such a characteristic in two classical flows encountered in fluid mechanics: a boundary layer and a fluid-structure problem.The boundary layer flow studied develops above a transversely inclined plane. Theoretical developments show that we can recover the usual Blasius profile, but always with a transverse flow superimposed due to the transverse angle of the plate. This base flow is then excited by transverse undulations which lead to the divergence of the transverse flow, resulting in the appearance of internal gravity waves localized in the boundary layer. We were able to perform experiments and succeed in observing for the first time this phenomenon thanks to particle image velocimetry. Furthermore, results show a good quantitative agreement between theoretical predictions and experimental measurements. In the second study we present the first vortex induced vibrations (VIV, phenomenon leading an object to oscillate due to the vortex shedding occurring in its wake) experiment performed in a stratified fluid. To perform these experiments, we towed stiff-arm mounted cylinders, free to turn around a horizontal axis. Experiments revealed two oscillation regimes: the first one is interpreted as VIV, and the second as galloping, resulting from an instability