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Projet ANR OBLIC

Feuilles virevoltantes, graines spiralantes, sphères chaotiques : la danse des objets en chute libre.


Vers une meilleure compréhension et prédiction des trajectoires complexes suivies par des objets en mouvement libre dans un fluide sous l’effet de la gravité.

Quiconque a observé la danse des feuilles mortes en automne ou l’ascension joyeuse des bulles dans une coupe de champagnes ne peut qu’être émerveillé par la richesse et la diversité des trajectoires adoptées par des objets en mouvement libre dans un fluide. Ce problème a interpelé des scientifiques de renom, de Léonard de Vinci à Maxwell en passant par Newton. Outre leur aspect spectaculaire et ludique, ces situations se rencontrent dans de nombreuses applications, en biologie (chute de feuilles et de graines, micro-organismes planctoniques, etc…), ou dans divers procédés industriels ; une meilleure compréhension de la dynamique de ces objets est donc susceptible de retombées dans de nombreux domaines.
Le projet OBLIC s’est donné pour ambition de fournir une cartographie de tous les types de trajectoires possibles, ainsi que des modèles permettant de reproduire et expliquer la dynamique.
Plusieurs situations ont été envisagées. La principale et la plus générique concerne le cas d’objets en forme de disques ou d’ellipsoïdes évoluant dans un milieu infini. La seconde situation, très ludique et souvent présentée dans des expositions scientifiques, concerne le comportement d’une sphère légère (par exemple une balle de ping-pong) piégée dans un jet d’air. Les deux dernières situations concernent le cas d’objets libres chauffés ou refroidis, ce qui ajoute des effets thermiques au problème, et le cas d’objets se déplaçant à l’intérieur d’un tube, ce qui ajoute des effets de confinement.


Les atouts du projet : des techniques de pointe et une complémentarité méthodologique.

Ce projet a permis de mettre en œuvre un large spectre de techniques modernes issues du champ disciplinaire de la mécanique des fluides : simulation numérique directe, théorie linéaire et faiblement non linéaire, méthodes expérimentales avancées, et modélisation mathématique. L’idée novatrice qui a servi de fil conducteur au projet est de modéliser le problème comme résultant d’une interaction non-linéaire entre plusieurs modes instables du système couplé fluide/objet, en faisant appel à des méthodes avancées dites de « stabilité globale ». Ces méthodes théoriquo-numériques, issues de la théorie des systèmes dynamiques et du chaos, complètent idéalement les approches plus classiques de simulation numérique intensive et les campagnes expérimentales en permettant d’explorer de manière efficace de larges gammes de paramètres.

Résultats majeurs du projet

La combinaison de toutes ces approches a permis, tout d’abord, de fournir une cartographie des trajectoires possibles dans une gamme de paramètres bien plus large que les cas explorés auparavant, allant des corps très légers (bulles) aux corps très lourds, et des disques très minces aux objets sphériques.
D’autre part, les approches utilisées ont permis de clarifier les mécanismes physiques à l’origine de ces trajectoires et de leur diversité, et notamment de démêler les contributions respectives des instabilités de l’écoulement de fluide dans le sillage des objets et de la dynamique propre de ces objets.
Enfin, l’étude a fourni des modèles simples reproduisant et expliquant les trajectoires, et potentiellement exploitables dans un cadre industriel.

Production scientifique et brevets depuis le début du projet

Ce projet a donné lieu à une production scientifique foisonnante, avec un total de 15 articles publiés dans des revues internationales (plus 5 autres en cours de finalisation). La production la plus prestigieuse du projet est sans conteste l’article de revue publié dans la revue Annual Review of Fluid Mechanics. La plupart des autres travaux ont été publiés dans Journal of Fluid Mechanics et Journal of Fluids and Structures, revues de référence dans le domaine de la mécanique des fluides et des interactions fluide-structure. Il faut noter également que l’un des travaux du projet a été mis en avant par la revue Journal of Fluid Mechanics qui lui a consacré un article spécial de vulgarisation (Focus-On-Fluids) signé par K. Moffatt, une sommité de notre domaine.
Les résultats ont été largement présentés à la communauté scientifique internationale, et ont donné lieu à 25 communications dans des congrès spécialisés ou généralistes.

Informations factuelles

Le projet « OBLIC », soutenu par l’ANR pendant 4 ans (de septembre 2009 à août 2013) et d’un coût global de 360k€, est un projet de recherche fondamentale qui a regroupé 3 équipes françaises : IMFT-Toulouse (responsable et coordinateur : David Fabre), ONERA/DAFE-Meudon (responsable : Olivier Marquet) et IMFS-Strasbourg (responsable : Gilles Bouchet), ainsi qu’un partenaire international : UC-Berkeley (Edgar Knobloch).

Participants au projet

  • Equipe IMFT
    David Fabre (coordinateur et porteur du projet)
    Patricia Ern
    Jacques Magnaudet
    Joël Tchoufag (Doctorant, 9/2010 - 8/2013)
    Pauline Assemat (post doc, 10/2009 - 12/2010)
    Franck Auguste (post doc, 10/2009 - 12/2009)
    Nicolas Brosse (Doctorant jusqu’au 31/12/2010)
  • Equipe IMFS :
    Gilles Bouchet (coordinateur)
    Jan Ducek
    Yannick Hoarau
    Marcin Chrust (Doctorant, 9/2009 - 8/2012)
  • Equipe ONERA/DAFE
    Laurent Jacquin (coordinateur)
    Olivier Marquet
    Denis Sipp
    Nicolas Brosse (Post-Doc, 3/2011-)
  • Partenaire UC - Berkeley
    Edgar Knobloch

Documents

Documents contractuels

Comptes-rendus intermédiaires

Réunion de lancement du 15/06/2010

Publications

Thèses

  1. Franck Auguste (2010)
    Instabilités de sillage générées derrière un corps solide cylindrique, fixe ou mobile dans un fluide visqueux
    Université de Toulouse lien pdf
  2. Thibaut Deloze (2011)
    Couplage fluide-solide appliqué à l’étude de mouvement d’une sphère libre dans un tube vertical
    Université de Strasbourg lien pdf
  3. Marcin Chrust (2012)
    Etude numérique de la chute libre de disques et d’ellipsoïdes dans un fluide Newtonien
    Université de Strasbourg
  4. Joël Tchoufag (2013)
    Etude de la trajectoire d’objets en chute ou ascension dans un fluid visqueux : une approche de stabilité globale
    Université de Toulouse

Articles de journaux

  1. J. Tchoufag, D. Fabre & J. Magnaudet (2014)
    Global linear stability analysis of the wake and path of buoyancy-driven discs and thin cylinders _Journal of Fluid Mechanics  pdf
  2.   J. Tchoufag, J. Magnaudet & D. Fabre (2013)
    Linear stability and sensitivity of the flow past a fixed ellipsoidal bubble
    Phys. Fluids 25, 054108 pdf
  3. M. Chrust, G. Bouchet & J. Dušek (2013)
    Effect of solid body degrees of freedom on the path instabilities of freely falling or rising flat cylinders,
    Journal of Fluids and Structures.
  4. M. Chrust, G. Bouchet & J. Dušek (2013)
    Numerical simulation of the dynamics of freely falling discs
    Phys. Fluids, 25 (044102)
  5.   F. Auguste, J. Magnaudet & D. Fabre
    Falling styles of disks
    Journal of Fluid Mechanics / Volume 719 / March 2013, pp 388 - 405 pdf
    See also : Three coins in a Fountain, H. K. Moffatt,  Journal of Fluid Mechanics (Focus on Fluids) / Volume 720 / April 2013, pp 1 - 4 
  6. D. Fabre, J. Tchoufag & J. Magnaudet (2012)
    The steady oblique path of buoyancy-driven disks and spheres
    Journal of Fluid Mechanics / Volume 707 / September 2012, pp 24 36 pdf
  7. Ern P., Fabre D., Risso F. & Magnaudet J. (2012)
    Wake-induced oscillatory paths of rising or falling rigid bodies.
    Annu. Rev. Fluid Mech. 44:97–121. doi : 10.1146/annurev-fluid-120710-101250 pdf
  8. ASSEMAT Pauline, FABRE David & MAGNAUDET Jacques (2012)
    The onset of path instability of falling objects within a viscous fluid : a linear study.
    Journal of Fluid Mechanics, Vol. 690 : pp 173-202 pdf
  9. Brosse N. & Ern P. (2011) Paths of stable configurations resulting from the interaction of two disks falling in tandem Journal of Fluids and Structures Volume 27(5-6), July-August 2011, Pages 817-823. pdf
  10. Fabre, D. ; Assemat, P ; Magnaudet, J. (2011) A quasi-static approach to the stability of the path of heavy bodies falling within a viscous fluid. JOURNAL OF FLUIDS AND STRUCTURES Volume 27(5-6), July-August 2011, Pages 758–767. doi:10.1016/j.jfluidstructs.2011.03.013 pdf
  11. Chrust, M. ; Bouchet, G. ; and Dusek, J. (2011) Parametric study of the transition in the wake of oblate spheroids and flat cylinders". Journal of Fluid Mechanics, Volume 665 / pp 199 - 208 pdf
  12. Deloze, T., Hoarau Y., and Dusek J. (2010) "Chimera method applied to the simulation of a freely falling cylinder in a channel", European Journal of Computational Mechanics, vol. 19/5-7, pp. 575-590
  13. Auguste, F ; Fabre, D ; Magnaudet J. (2010) Bifurcations in the wake of a thick circular disk. J. THEORETICAL AND COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS, 24(1-4), 305-313. pdf
  14. F. Giannetti, D. Fabre, J. Tchoufag, and P. Luchini
    Structure and stability of the flow past a rotating sphere
    (en préparation)

Conférences

  1. J. Tchoufag, D. Fabre & J. Magnaudet (2013), Weakly non-linear analysis of the flutter motion of disks, ERCOFTAC Symposium on Unsteady Separation in Fluid-Structure Interaction, June 17-21, 2013, Mykonos, Greece abstract
  2. J. Dušek, M. Chrust & G. Bouchet (2013)
    Transitional dynamics of freely falling discs
    ERCOFTAC International Symposium « Unsteady Separation in Fluid-Structure Inter-action », Mykonos, Greece, June 17-21.
  3. F. Auguste, J. Magnaudet & D. Fabre (2012) Falling styles of disks 65th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics November 18-20, 2012 ; San Diego, California
  4. F. Giannetti, D. Fabre, J. Tchoufag, and P. Luchini (2012) The steady oblique path of buoyancy-driven rotating spheres Euromech Fluid Mechanics Conference (EFMC9), Rome, 9-13 septembre. pdf
  5. J. Tchoufag, D. Fabre & J. Magnaudet (2012) Linear stability of disks falling or rising freely in a viscous fluid Euromech Fluid Mechanics Conference (EFMC9), Rome, 9-13 septembre. pdf
  6. M. Chrust, G. Bouchet & J. Dušek (2012)
    Disks and spheroids freely rising or falling in Newtonian fluids
    9th Euromech Fluid Mechanics Conference (EFMC9), Rome, Italy, September 9-13.
  7. M. CHRUST, G. BOUCHET & J. DUSEK (2011), Paromain decomposition with a spherical subdomain. A spectral azimuthal decomposition applied to a non axisymmetric geometry, BLUBOF2011, IUTAM Symposium on Bluff Body Flows, 12 - 16 décembre, Kapur, Inde
  8. M. CHRUST, G. BOUCHET & J. DUSEK (2011), Etude paramétrique du scénario de transition du sillage d’un ellipsoïde et d’un cylindre plat, CFM 2011 (20e CONGRES FRANCAIS DE MECANIQUE), 28 aout - 2 septembre, Besancon, France.
  9. J. TCHOUFAG, P. ASSEMAT, D. FABRE, P. MELIGA (2011). Stabilité globale linéaire et faiblement non-linéaire du sillage d’objets axisymétriques. CFM 2011 (20e CONGRES FRANCAIS DE MECANIQUE), 28 aout - 2 septembre, Besancon, France.
  10. D. FABRE, P. ASSEMAT, Joël TCHOUFAG, J. MAGNAUDET (2011). A global stability approach to the onset of oscillation for freely falling objects. BIFD 2011 (4th international symposium Bifurcations and Instabilities in Fluid Dynamics), July 18-21, 2011, Barcelona, Spain. abstract
  11. M. CHRUST, G. BOUCHET & J. DUSEK, Parametric study of the transition in the wake of oblate spheroids and flat cylinders, 63rd Annual Meeting of hte APS Division of Fluid Dynamics, Long Beach, California, November 21-23, 2010.
  12. ASSEMAT Pauline, FABRE David (2010) Free motion of objects within a viscous fluid : Linear stability. 8th Euromech Fluid Mechanics Conference (EFMC8), September 13-16, Bad Reichenhall, Germany.
  13. AUGUSTE Franck, FABRE David, MAGNAUDET Jacques (2010) Free motion of flat disks within a viscous fluid : Numerical simulations. 8th Euromech Fluid Mechanics Conference (EFMC8), September 13-16, Bad Reichenhall, Germany.
  14. N. Brosse & P. Ern (2010) Entrainment and oscillations of two solid bodies falling in tandem in a liquid at rest. 8th Euromech Fluid Mechanics Conference (EFMC8) Bad Reichenhall, Germany, September 13-16, 2010
  15. M. Chrust, G. Bouchet & J. Dust (2010) Parametric study of the transition in the wake of oblate spheroids and flat cylinders 8th Euromech Fluid Mechanics Conference (EFMC8) Bad Reichenhall, Germany, September 13-16, 2010
  16. T. Deloze, Y. Hoarau & J. Dusek (2010) Numerical study of the forces on a sphere in uniform translation in a tube 8th Euromech Fluid Mechanics Conference (EFMC8) Bad Reichenhall, Germany, September 13-16, 2010
  17. T. Deloze, Y. Hoarau & J. Dusek (2010) Simulation of a free sphere in a tube with automatic chimera method. IUTAM Symposium on Bluff Body Wakes and Vortex-Induced Vibration (BBVIV-6) Capri Island, Italy, June 21-25, 2010
  18. Nicolas Brosse, Patricia Ern (2010). The coupled motion of two bodies falling in tandem or side by sideIUTAM Symposium on Bluff Body Wakes and Vortex-Induced Vibrations (BBVIV-6) 2-25 June 2010 – Capri Island, Italy
  19. ASSEMAT Pauline, FABRE David, MAGNAUDET Jacques (2010) Linear stability of the wake of objects in imposed or free movement in a viscous fluid. IUTAM Symposium on Bluff Body Wakes and Vortex-Induced Vibrations (BBVIV-6), 21-25 juin, Capri, Italie.
  20. FABRE David, AUGUSTE Franck, MAGNAUDET Jacques, KNOBLOCH E. (2009) Mode interaction in the wake of axisymmetrical bodies : A relative to the Couette-Taylor problem. International Couette -Taylor Workshop, 9-11 septembre 2009, Princeton, USA.
  21. Nicolas Brosse, Patricia Ern (2009) The interaction of two bodies falling in tandem. APS-DFD annual meeting, Mineapolis, USA, nov. 2009.
  22. Nicolas Brosse, Patricia Ern (2009) The hydrodynamic interaction of two freely-falling bodies released consecutively European-Japanese Two-Phase Flow Group Meeting, Spoleto, Italy, 20/09/2009