Transition to turbulence in circular expansion pipe flow

par Kamal Selvam

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides et Energétique

Sous la direction de Jorge Peixinho.

Le président du jury était Dwight Barkley.

Le jury était composé de Innocent Mutabazi, Christoph Egbers, Arnaud Prigent.

Les rapporteurs étaient Jean-Christophe Robinet, Ashley P Willis.

  • Titre traduit

    Transition laminaire-turbulent dans une conduite circulaire avec élargissement


  • Résumé

    La thèse traite de recherches numériques et expérimentales sur l’écoulement à traves des conduites circulaires ou des tubes avec une petite entrée et un diamètre de sortie plus grand, parfois appelées élargissement ou divergents. L’écoulement dans un élargissement est globalement stable pour des nombres de Reynolds élevés. Ainsi la simulation numérique de ce type d’écoulement nécessite de grands domaines de calcul contenant la zone de recirculation, qui croît linéairement. En outre, les études expérimentales dans les élargissements brusques indiquent que la transition se produit à des nombres de Reynolds plus faibles que prévue par la théorie linéaire de stabilité. La raison pour cette transition précoce est due à la présence d’imperfections dans le dispositif expérimental, qui agit comme une perturbation d’amplitude finie de l’écoulement. Des simulations numériques directes des équations de Navier-Stokes ont été réalisées avec deux types différents de perturbations (i) l’inclination et (ii) le vortex. Tout d’abord, la perturbation de type inclinaison, qui est appliqué à l’entrée, crée une zone de recirculation asymétrique, puis se casse pour former une turbulence localisée en aval de l’expansion. Deuxièmement, la perturbation de type vortex, crée des structures qui ressemblent à un mode azimutal d’ordre inférieur, déjà identifié comme une perturbation optimale amplifiée. Il croît en raison de l’instabilité convective, puis forme une tâche de turbulence localisée. Enfin, la corrélation spatiale et la décomposition en modes propres révèlent que cette turbulence localisée obtient son énergie de l’écoulement d’entrée.


  • Résumé

    The thesis deals with numerical and experimental investigations of flow through circular pipes with smaller inlet and larger outlet diameter, also known as expansion pipes. The hydrodynamic expansion pipe flow is globally stable for high Reynolds number. In order to numerically simulate these types of flows, large computational domains that could accommodate the linearly growing symmetric recirculation region is needed. Moreover, experimental studies of expansion pipe flows indicate that the transition occurs at lower Reynolds number than predicted by the linear stability theory. The reason for early transition is due to the presence of imperfections in the experimental setup, which acts as a finite-amplitude perturbation of the flow. Three-dimensional direct numerical simulations of the Navier-Stokes equations with two different types of perturbations (i) the tilt and (ii) the vortex are investigated. First, the tilt perturbation, which applied at the inlet, creates an asymmetric recirculation region and then breaks to form localised turbulence downstream the expansion section. Second, the vortex perturbation, creates structures that looks like lower order azimuthal mode, resembles an optimally amplified perturbation. It grows due to convective instability mechanism and then breaks to form localised turbulence. Spatial correlation and the proper orthogonal decomposition reveal that this localised turbulence gains it energy from the core flow coming out of the inlet pipe.


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