Caractérisation expérimentale des structures tourbillonnaires derrière un cylindre en milieu confiné par la PIV et la polarographie

• Auteur / Autrice : Férid Rehimi
• Direction : Louis Doubliez, Sassi Ben Nasrallah
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés. Mécanique des fluides et des transferts
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mécanique, thermique et génie civil (Nantes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polarographie

Tourbillons (mécanique des fluides)

Sillage (dynamique des fluides)

Résumé

Le travail porte essentiellement sur l'étude du sillage d'un cylindre en milieu confiné. Deux techniques de mesures expérimentales ont été utilisées pour l'investigation du sillage derrière le cylindre : la PIV (Vélocimétrie par Images de Particules) et la méthode polarographique avec des sondes circulaires implantées sur une des deux parois du canal en aval de l'obstacle. Parallèlement à ce travail, on a développé un code de calcul pour l'inversion de l'équation de convection-diffusion, qui est basé sur l'algorithme séquentiel de Beck, pour déterminer le gradient pariétal de vitesse à partir des mesures de courant limite de diffusion délivré par les sondes. Sa validation a été préalablement effectuée par des mesures dans un rhéomètre cône/plan. Par la suite, on a étudié l'écoulement derrière le cylindre en effectuant des mesures synchronisées de PIV et de polarographie. Les mesures de PIV ont servi à caractériser les différents régimes d'écoulement, et à montrer les différences essentielles entre ce cas du sillage confiné (pour un taux de blocage de 1/3) et le cas du sillage non confiné. Ensuite, on a étudié la dynamique des structures tourbillonnaires lâchées par le cylindre. La décomposition des champs instantanés de vitesse obtenus par PIV en modes orthogonaux propres (POD) a permis de suivre leur répartition énergétique pour la gamme des nombres res de Reynolds étudiée ( 50 ≤ Re ≤ 300 ). Cette décomposition a permis de faire un filtrage inhomogène et de reconstituer des champs filtrés résolus dans le temps. Finalement, une comparaison entre les résultats de PIV et d'électrochimie a été effectuée.

This work deals with the experimental characterization of the vortex shedding from a circular cylinder between parallel walls. Two experimental measurement techniques were used for the investigation of the wake downstream the cylinder : the PIV (Images Particles Velocimetry) and the polarographic method, with circular probes mounted flush on one of the two parallel walls of the channel downstream from the obstacle. In parallel to this work, one developed a computational code for the inversion of the convection-diffusion equation, which is based on the sequential Beck algorithm, in order to determine the wall shear stress from the limiting current delivered by the probes. Its validation was carried out beforehand by measurements in a cone-plate rheometer. Thereafter, one studied the vortex shedding behind the circular cylinder by synchronized measurements between PIV and polarography. Measurements of PIV were used to characterize the various flow regimes, and to show the main differences between this case of the confined wake (for a blockage ratio of 1/3) and the case of the non-confined wake. Then, one studied the dynamic of vortex structures downstream the cylinder. The decomposition of the instantaneous velocity fields obtained by PIV in Proper Orthogonal Modes (POD) made it possible to follow their energetic distribution for the studied range of Reynolds numbers ( 50 ≤ Re ≤ 300 ). With this decomposition, it is possible to make an inhomogeneous filtering and to reconstitute filtered fields solved in time. Finally, a comparison between the results of PIV and of electrochemistry was carried out.