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Tourbillons, Transferts et Mélanges

1. Sillages et Tourbillons

Des recherches associées aux sillages de corps épais ou aérodynamiques ont été menées conjointement avec l’uni- versité de Monash (Australie). Ces études se regroupent généralement sous la thématique des sillages au sens large et concernent plus particulièrement deux aspects : sillage éolien (tourbillons hélicoïdaux) et sillage forçé.

Les études des tourbillons hélicoïdaux sont principalement de nature expérimentale. Une première étude porte sur une mise à échelle géométrique d’un design existant (Sherry et al 2013a). Cette étude a mis en évidence les deux sillages (bout de pâle et moyeu) et a permis de caractériser ces tourbillons (position, distribution du rayon, distribution de la circulation) pour plusieurs configurations. Récemment, une étude a été menée (Sherry et al. 2013) pour une géométrie adaptée par la théorie linéaire de Glauert, démontrant une interaction mutuelle des tourbillons stationnaires avec un léger méandre aléatoire.

Les travaux de sillage forcé sont de nature numérique et expérimentale. Un forçage d’un cylindre en oscillation de rotation et translation (cross-stream) a été menée et finalise cette série d’études (Nazarinia et al. 2012). Le balayage en fréquence et phase de forçages a permis de mettre expérimentalement en évidence les zones d’accrochage en fréquence. L’étude du cas où le cylindre oscille périodiquement à la fréquence naturelle (Strouhal) a permis de découvrir un nouveau mode d’instabilité 3D ainsi que la dépendance des autre modes 3D avec l’amplitude de rotation (Lo Jacono et al. 2010). Une série d’études pour un cylindre en oscillations forcées longitudinalement (streamwise) a permis de comprendre la nature de l’accrochage en fréquence (Leontini et al. 2011, Leontini et al. 2013). Ces résultats ont été confirmés par une étude expérimentale pour des nombres de Reynolds et des géométries différentes (Tudball-Smith et al. 2012).

Par ailleurs, une étude de sitting (Sherry et al. 2010) a permis d’analyser le comportement de la zone de recirculation après une marche montante.

Les études numériques et théoriques de stabilité modale et non modale des tourbillons ont permis de mettre en évidence des mécanismes physiques originaux d’amplification transitoire. La découverte de ces mécanismes apporte un éclairage nouveau et une meilleure compréhension de phénomènes récurrents observés dans les tourbillons, comme la formation systématique d’anneaux tourbillonnaires secondaires autour d’un tourbillon soumis à une turbulence ambiante ou encore le phénomène de méandres tourbillonnaires, ou vortex meandering, un déplacement erratique et rapide du coeur du tourbillon. Il a été montré que ces mécanismes sont génériques et universels, et on retrouve ainsi ces mécanismes actifs dans le cas de tourbillons instables, comme les tourbillons à circulation nulle par exemple (Bisanti et al, 2011, congrès CFM).

D’autre part, le mécanisme de résonance transitoire identifié dans le régime linéaire permet la croissance de pertur- bations elliptiques qui peuvent atteindre des niveaux d’énergie tels que les non-linéarités provoquent une bifurcation sous-critique sous la forme d’un tourbillon fortement déformé elliptiquement, avec d’éventuels tourbillons satellites de signe opposé à sa périphérie. Ce scénario original identifié par des simulations numériques directes est intéressant car il fournit une route naturelle vers la formation de tels tourbillons elliptiques (appelés aussi tripôles), qui sont eux-mêmes susceptibles de se déstabiliser sous l’effet d’une instabilité secondaire modale de nature elliptique et enclencher ainsi une transition de type by-pass turbulente ou du moins conduisant à des états non triviaux du tourbillon. L’étude de ce scénario de bifurcation sous-critique a été récemment enrichie par une analyse en perturbation optimale non linéaire dans le cadre de la thèse de Luigi Bisanti (Bisanti et al. 2012). Il s’agit dans ce cas d’identifier et de caractériser les perturbations du tourbillon qui présentent le maximum de croissance transitoire en tenant compte intégralement des non-linéarités dans le processus d’optimisation. Il a été montré que les non-linéarités jouaient un rôle dans la struc- ture de ces perturbations, mais qu’elles ne conduisaient pas à un seuil de bifurcation plus faible que les perturbations linéaires, ce qui va contre l’intuition.

Le sillage derrière un avion est dominé par la présence de deux tourbillons contrarotatifs intenses issus des extrémités d’aile. L’objectif est alors d’identifier et caractériser les mécanismes de base, encore mal compris à ce jour, qui pilotent la dynamique de ces tourbillons en atmosphère stratifiée et par conséquent les premières étapes du processus de transport et de dispersion des flux moteur. Une première étude sur la transition tridimensionnelle des tourbillons de sillage en atmosphère stratifiée a été menée au cours du postdoctorat de Jessie Weller-Calvo, dans le cadre du projet ITAAC (RTRA / fondation STAE). Il s’agit d’une collaboration avec Laurent Joly (ISAE) et Sabine Ortiz (LadHyX). L’analyse en perturbation optimale du sillage a permis de compléter les travaux de thèse de Claire Donnadieu au LadHyX en mettant en évidence l’effet du rapport d’aspect du sillage (rapport entre le rayon des tourbillons et leur distance) sur les caractéristiques de la croissance non modale des perturbations 3D avec prise en compte de la stratification à l’ordre dominant. La thèse de Rémi Jugier, démarrée en février 2013 en co-direction avec Laurent Joly, a pour objectif de déterminer plus précisément l’apport de la phase d’enroulement de la nappe tourbillonnaire juste en aval de l’avion sur les mécanismes de croissance non modale des perturbations. En particulier, la prise en compte de cette phase permettra de mieux modéliser l’évolution du champ de densité dans le sillage, et donc de mieux maîtriser les mécanismes spécifiques au couple barocline.

Deux autres écoulements très différents contenant des tourbillons spécifiques ont fait l’objet d’étude. Ainsi, l’é- coulement autour des montants de baie automobiles (entre pare-brise et vitre latérale) est caractérisé par la présence d’un tourbillon en cornet tangent à la vitre, à l’origine de fluctuations de pression en paroi responsables de vibrations de la vitre et donc de bruit dans l’habitacle. L’objectif de cette activité a été de caractériser expérimentalement ce tourbillon et son influence sur les fluctuations de pression pariétale (Levy et al. 2008), puis de contrôler le niveau de ces fluctuations par différents dispositifs le long du montant de baie. Des prototypes ont ensuite été testés sur véhicule réel pour mesurer leur efficacité en termes de bruit généré dans l’habitacle (Benjamin Levy, thèse CIFRE MECAPLAST, 2009). Une enveloppe Soleau a été déposée à l’issue de cette étude et un article a été publié récemment sur le sujet (Levy & Brancher 2013).

Enfin, de nombreux écoulements géophysiques mettent en jeu des paires de tourbillons contrarotatifs (dipôles) en eau peu profonde. En collaboration avec le groupe OTE, une étude expérimentale a permis de montrer que ce type de dipôle confiné verticalement conduit à la formation d’un tourbillon transverse intense qui modifie radicalement la dynamique globale de l’écoulement (Lacaze et al. 2010). La thèse de Julie Albagnac a permis d’identifier les conditions d’existence de ce tourbillon, et de mieux comprendre sa structure et sa dynamique, notamment par le biais de mesures PIV 3D (Albagnac et al. 2011, 2012, 2013). En particulier ce résultat remet en cause sur cet exemple l’hypothèse classique de quasi bidimensionnalité des écoulements en eau peu profonde et met en évidence une nouvelle source de dissipation et une structure tourbillonnaire dont l’impact sur le transport de sédiments et de polluants est une application directe. Cette piste de recherche a été abordée par un travail expérimental préliminaire qui sera poursuivi.

2. Aérothermie, jets impactants

Deux grandes études ont été menées dans ce thème, l’une sur l’écoulement et transferts thermiques turbulents sur parois rugueuses et la seconde sur le refroidissement par impact de jet.

Dans le cadre d’une collaboration avec Renault (thèse CIFRE de B. Hérout, 2012, co-encadrée par A. Giovannini et H. Boisson), une étude expérimentale (avec la création d’un banc propre) et numérique ont été menées pour caractériser l’impact des rugosités de paroi sur la distribution de vitesse de l’écoulement en conduite cylindrique, particulièrement dans la couche limite, et sur les transferts thermiques en paroi. Cette étude est motivée par le besoin industriel d’améliorer la prédictivité des codes de calcul, et les résultats obtenus ont permis de constituer une base de données pour la validation et l’optimisation des modèles de turbulence utilisés dans l’industrie, notamment au niveau des lois de paroi.

Dans la continuité des travaux de A. Giovannini sur l’étude dynamique et thermique du procédé de refroidissment par impact de jet ou de jets multiples, un axe de recherche s’est développé dans la période écoulée sur la dynamique des jets impactants lobés. Ces travaux font l’objet d’une collaboration avec l’institut Pprime à Poitiers (M. Fénot, E. Dorignac) et avec le Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement (LaSIE) à La Rochelle (A. Meslem, V. Sobolik). Le projet s’inscrit dans le contexte général des échanges de chaleur en aérodynamique perturbée, situation où il y a rupture de l’analogie de Reynolds entre vitesse et température. Il est relié à la problématique de l’optimisation et de la maîtrise de l’énergie et à l’amélioration des rendements dans les moteurs. L’idée centrale de cette étude en cours est de tester et de comprendre si des jets lobés (géométrie circulaire à plusieurs lobes) permettent des échanges thermiques plus importants au niveau de leur impact avec une paroi chauffée. C’est une étude expérimentale dont les résultats préliminaires montrent une amélioration des transfert thermiques par rapport à une buse parfaitement circulaire de même surface et pour des débits identiques, par effet de mélange et d’entraînement. Plusieurs géométries ont été testées ainsi que l’effet du confinement dans le cadre du stage de master recherche de Thibaut Pech en 2011, et de la thèse de Denis Brouilliot (en cours).

3. Hydrodynamique des fluides non newtoniens, Procédés / Bioprocédés

Les comportements non newtoniens sont très fréquemment observés dans nombre de secteurs industriels et ils peu- vent impacter fortement les écoulements dans lesquels ils sont impliqués. Dans un premier volet, et à travers des travaux majoritairement expérimentaux, l’influence de caractères non newtoniens tels que la rhéofluidification, la vis- coplasticité et la viscoélasticité sur l’hydrodynamique sont étudiés, soit dans des situations académiques, soit dans des configurations proches de procédés. Un second volet des travaux menés sur les fluides non newtoniens concerne des aspects rhéométrie sur des applications liées à des procédés/bioprocédés ; ils sont développés en collaboration avec le LGC (UMR 5503) et le LISBP (UMR 5504). Dans ce thème, les travaux menés en collaboration avec le LGC (UMR 5503) ou le LISBP (UMR 5504) le sont dans le cadre de la fédération de recherche FERMaT (FR 3089). D. Anne-Archard est co-responsable (avec A. Cockx, LISBP) de l’un des cinq thèmes de FERMaT (Ecoulements Polyphasiques).

Une action de recherche a été démarrée en 2009 pour étudier la dynamique tourbillonnaire en fluide non newtonien. Elle a été focalisée sur les anneaux tourbillonnaires dans le cadre d’une thèse. Cette étude expérimentale d’un écoule- ment tourbillonnaire prototypique avait pour objectif l’exploration de la dynamique de formation et de maturation d’un anneau tourbillonnaire afin d’explorer les différents régimes d’écoulements et de les caractériser en terme de structure et de dynamique globales (géométrie des anneaux, intensité, propagation, stabilité, etc.) en fonction de la nature du fluide. L’étude a été menée en fluide rhéofluidifiant et une exploration a été réalisée en fluide viscoplastique et en fluide viscoélastique. Les mesures de champ de vitesse par PIV ont permis d’accéder aux champs de vorticité, de vitesse de cisaillement et de viscosité. La figure 8 présente un exemple du développement de la structure primaire et d’une structure secondaire en fluide viscoplastique. Ce travail a donné lieu à une thèse (Bentata 2013) et 3 communications en congrès (2 nationaux, 1 inter.). Il a bénéficié de deux BQR (UPS 2011 et INP 2012) et il se poursuit actuellement sur les fluides viscoélastiques à l’aide d’une technique de visualisation.

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FIGURE 8 – Anneaux tourbillonnaires : Lignes de courant et champ de vorticité en fluide viscoplastique (évolution temporelle : t =4.5 ; 7.5 ;12, Reynolds = 160, seuil : 1.45 Pa)

Un travail a également été mené en collaboration avec L. Lacaze et T. Bonometti (groupe OTE) pour étudier les régimes d’écoulement et l’évolution de la surface libre dans l’écoulement d’un fluide viscoplastique à l’intérieur d’un cylindre horizontal, partiellement rempli et tournant autour de son axe. Cette configuration académique a été choisie en première approche pour l’étude de l’écoulement en bétonnière (contrat Lafarge, 1 stage M2, 2 stages M1).

Une action débutée en 2004 dans le cadre d’une collaboration avec le LGC (UMR 5503, C. Frances), s’est terminée en 2010. Elle portait sur l’hydrodynamique d’un procédé de broyage en voie humide, dans lequel les changements dans la distribution de taille et la forme des fragments et, corrélativement, les changements de propriétés rhéologiques qui en résultent peuvent conduire à une suspension broyée de qualité médiocre ou même entraver le procédé de réduction de taille lui-même. Un travail de simulation numérique a permis d’établir une cartographie des chocs entre billes de broyage, puis une étude expérimentale par PIV à l’échelle x100 a été menée pour analyser l’hydrodynamique entre deux billes de broyage dans les instants précédant le choc. Des reconstructions de trajectoires à partir des champs de vitesse résolus en temps ont été effectuées pour des particules situées dans l’entrefer et pour différentes configurations d’approche des sphères. Ce travail s’est concrétisé par une thèse (Gers 2009, co-direction LGC) et 2 publications (Gers et al 2010, Gers et al, 2010a).

Enfin une collaboration avec le LISBP (A. Liné) a porté sur l’étude de l’hydrodynamique des systèmes d’agitation en fluide non newtonien. Elle a donné lieu à deux publications (Gabelle et al, 2013, Liné et al, 2013) et 2 communications internationales.

Dans le cadre de la fédération FERMaT, des travaux présentés ici concernaient les aspects spécifiquement non new- toniens dans des applications liées à des procédés/bioprocédés. A l’exception de l’ANR BioFiReady, ils sont réalisés.

L’une des actions menées concernait ainsi l’étude de l’influence de l’hydrodynamique sur un processus d’agrégation de nanoparticules en suspension (coll. LGC UMR 5503). L’approche choisie a consisté à suivre et à analyser par des mesures granulométriques et de rhéométrie le développement d’un processus d’aggrégation/rupture sur des nanopar- ticules de silice en réalisant conjointement des expériences en écoulement complexe (réacteur agité, géométrie du process), en cisaillement pur (cellule de Couette) et dans un écoulement à dominante élongationnelle (cellule de Taylor à quatre rouleaux). Réalisé à l’IMFT, ce travail a donné lieu à 2 publications (Frances 2011, Anne-Archard 2013) et à 4 communications (3 nationales, 1 inter.). Il a également bénéficié d’un post-doc FERMaT (M. d’Olce) et d’un BQR de l’INPT. La collaboration avec L. Fillaudeau (LISBP UMR 5504) porte sur l’étude du couplage entre paramètres physiques et paramètres biologiques en réacteur de biofermentation, ainsi que, dans le cadre de l’ANR ProBio3 (C. Jouve, LISBP, 2012-2019), sur l’hydrodynamique et la rhéologie des suspensions de fibres pour la production biocatalytique de sucres fermentescibles à partir de lignocellulose. Une thèse en co-direction a été soutenue (Manon 2012) et deux thèses sont en cours. 4 publications (Manon 2009, Manon 2011, Fillaudeau 2011, T. C. Nguyen 2013), 5 communications en congrès internationaux et 3 en congrès nationaux. Une collaboration portant sur le traitement des eaux usées par des bioréac- teurs à membrane, et plus spécifiquement sur la rhéologie des boues et l’influence de l’aération est menée avec le LGC (UMR 5503). Soutenue par un projet Région (Membranéo), elle a bénéficié d’un post-doc et donné lieu à 1 publication (Günther 2011), 3 communications en congrès internationaux et 2 en congrès nationaux.

Enfin, le groupe intervient dans l’ANR BioFiReaDy (P. Poncet, IMT UMR 5219, 2011-2014) qui a pour objectifs l’étude, la modélisation et la simulation des aspects mécaniques des disfonctionnements respiratoires (essentiellement mucovisci- dose). La mise en place de protocoles de mesure sur des prélèvements de mucus respiratoire (CHU Larrey) pour assurer à la fois sécurité sanitaire et qualité de mesure a constitué une étape importante. Les caractérisations rhéologiques (viscosité, élasticité) obtenues sont en cours d’implantation dans le code de calcul développé à l’IMT (1 communication en congrès international).