Anneaux tourbillonnaires et érosion dans le sillage d'un disque en translation

Vortex rings and erosion in the wake of a translating disk

• Auteur / Autrice : Joanne Steiner
• Direction : Philippe Gondret, Cyprien Morize
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 26/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fluides, automatique et systèmes thermiques (Orsay, Essonne ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Thomas Leweke
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Chauchat, Laurent Lacaze, Philippe Petitjeans, Sophie Ramananarivo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien Chauchat, Laurent Lacaze

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Vélocimétrie par images de particules

Milieux granulaires

Sédiments (géologie) -- Transport

Tourbillons (mécanique des fluides)

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Mécanique des Fluides

Tourbillon

Érosion

Milieux granulaires

Expérimental

Simulation

Fluid Mechanics

Vortex

Erosion

Granular Matter

Experimental

Simulation

Résumé

Les raies ondulent leurs nageoires à proximité du lit de l'océan afin de mettre en suspension une large quantité de sable qu'elles laissent ensuite sédimenter sur leurs corps pour se camoufler. Ce phénomène met en jeu des interactions complexes entre un fluide, un objet en mouvement et un milieu granulaire. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre ces mécanismes en modélisant expérimentalement et numériquement le comportement des poissons plats par un disque rigide en translation à proximité d'un lit de grains. Lorsque le disque se met en mouvement, un anneau tourbillonnaire de démarrage se forme dans son sillage. Nous avons tout d'abord décomposé le mouvement du disque en une translation simple non oscillatoire en milieu infini en variant systématiquement la longueur de course, le diamètre du disque et son temps de parcours. Les simulations 3D axisymétriques reproduisent bien les expériences. Des lois de puissance théoriques déduites de la théorie bidimensionnelle de Wedemeyer et basées sur ces paramètres de contrôle gouvernant la position, le rayon et la circulation de l'anneau tourbillonnaire sont en excellent accord avec les résultats expérimentaux et numériques en régime inertiel. Après l'arrêt du disque, la vitesse azimutale du tourbillon de démarrage provoque la formation d'un tourbillon d'arrêt sur l'arrête du disque qui déplace et déforme le tourbillon de démarrage.Lorsque le disque s'approche ou s'éloigne d'une paroi solide, les lois d'échelles obtenues en milieu infini sont essentiellement modifiées par la prise en compte de la distance minimale relative du disque à la paroi. Un écoulement radial sortant ou entrant se manifeste également lors de l'approche ou de l'éloignement du disque. Une étude des seuils d'érosion met en avant le rôle de cet écoulement et des anneaux tourbillonnaires induits par le mouvement du disque sur la mise en mouvement de grains. Enfin, lorsque le disque oscille, les interactions entre tourbillons deviennent plus complexes. Sur l'essentiel de la gamme de paramètres explorés, les anneaux tourbillonnaires se formant de part et d'autre du disque lors de son oscillation en milieu infini présentent un caractère asymétrique, ce qui signifie que l'un des anneaux tourbillonnaires prend le dessus sur l'autre en l'étirant et le détruisant systématiquement. Les propriétés de l'anneau tourbillonnaire sont de nouveau en bon accord avec les lois de puissance théoriques, avec une augmentation dans la valeur des préfacteurs par rapport au cas d'une translation non oscillatoire. En effet, lors du changement de sens du disque, une couche de vorticité a d'ores et déjà commencé à se former sur le contour du disque et contribue à accélérer la croissance de l'anneau tourbillonnaire. L'analyse des résultats proche d'une paroi montre que les lois d'échelles sont modifiées. Enfin, des mesures de seuils d'érosion sont brièvement analysées et sont gouvernés, lorsque le disque est suffisamment éloigné du lit de grains, par les propriétés de l'anneau tourbillonnaire de démarrage.

Rays undulate their fins to suspend a large quantity of sediment from the seabed, which they then let fall onto their bodies to hide. This phenomenon involves complex interactions between a fluid, a moving body, and granular material. This thesis aims to understand these mechanisms by modeling the fish behavior by a rigid disk translating near a granular bed experimentally and numerically. When the disk starts to move, a starting vortex ring forms in its wake. First, we decomposed the motion of the disk into a simple non-oscillatory translation in an unbounded medium by systematically varying the disk's stroke length, diameter, and travel time. The 3D numerical simulations agree very well with the experiments. Theoretical power laws derived from the bidimensional model of Wedemeyer and based on these control parameters governing the vortex position, radius, and circulation agree very well with the experimental and numerical results in the inertial regime. In addition, after the disk stops, the azimuthal velocity of the vortex ring causes the formation of a stopping vortex on the edge of the disk that deforms and stretches the starting vortex. As the disk approaches or moves away from a solid boundary, the scaling laws obtained in an infinite medium change by considering the relative minimal distance between the disk and the boundary. Squeeze or suction flow occurs as the disk approaches or moves away from the wall. The analysis of the erosion thresholds highlights how this flow and the vortex rings generated during the disk's motion affect the motion at the granular bed surface.Finally, the interactions between vortexes are more complex when the disk oscillates. Over most of the range of parameters considered, the vortex rings generated on either side of the disk in an unbounded medium are asymmetric, which means that one of the vortex rings takes precedence over the other, systematically stretching and destroying it. Again, the properties of the vortex ring are in excellent agreement with the theoretical power laws, with an increase in the value of the prefactors compared with a non-oscillatory translation. Indeed, when the disk changes direction, a vorticity sheet has already begun to form, contributing to the faster growth of the vortex ring. The scaling laws change near a boundary based on the distance between the disk and the boundary. Finally, the starting vortex ring's properties govern the erosion threshold measurements when the disk is far enough from the boundary.