Approches expérimentale et numérique de l'écoulement de fluides à seuil de contrainte autour d'obstacles cylindriques

Experimental and numerical approaches of yield stress fluids flow around cylindrical obstacles

• Auteur / Autrice : Dodji Léagnon Tokpavi
• Direction : Pascal Jay, Albert Magnin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique, procédés
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Grenoble 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Élastoviscoplasticité

Viscoplasticité

Mots clés libres

Fluide à seuil de contrainte

Cylindres circulaires

Résumé

Ce travail de thèse aborde l'hydrodynamique régissant un grand nombre d'applications industrielles mettant en œuvre des fluides à seuil de contrainte. Il s'intéresse plus particulièrement à l'étude du problème de base de la mécanique des fluides que constitue l'écoulement d'un fluide autour d'obstacles cylindriques. Dans un premier temps, le domaine des grands nombres d'Oldroyd, peu abordé dans la littérature, a été examiné en s'intéressant plus particulièrement aux aspects cinématiques et dynamiques. Les effets d'inertie sont négligés. Le cas d'un seul obstacle cylindrique et celui de deux obstacles cylindriques en interaction ont été étudiés numériquement. Les résultats concernant les zones rigides, la stabilité, la couche limite viscoplastique ont été présentés en fonction du nombre d'Oldroyd. Expérimentalement, le cas du cylindre seul a été examiné par la mesure de la traînée et la caractérisation des champs de vitesses par vélocimétrie par image de particules. Le fluide à seuil de contrainte utilisé a été l'objet d'une caractérisation rhéométrique approfondie. Les résultats expérimentaux ont permis de comparer les effets de la nature élastoviscoplastique du gel utilisé aux résultats obtenus avec des lois viscoplastiques existantes. Dans un second temps, les effets d'inertie ont été pris en compte. Une étude expérimentale a été menée sur l'écoulement autour d'un obstacle cylindrique plongé dans une cuve tournante. Cette étude, complétée par une simulation numérique, a permis d'identifier l'influence de la plasticité, de la rhéofluidification et de l'élasticité sur le sillage derrière un obstacle cylindrique dans un fluide à seuil de contrainte. La zone de recirculation présente dans le régime laminaire stable et la transition entre ce régime et le régime laminaire avec détachement de tourbillons ont été spécialement examinées.

The hydrodynamic governing a great number of industrial applications - in which yield stress fluids are used - has been investigated in this of work. The basic fluid mechanics problem that is the fluid flow around cylindrical obstacles is especially studied. Firstly, the case corresponding to very high Oldroyd numbers that is very little approached in the literature has been examined by extending the study to kinematics and dynamics aspects. Inertial effects are negligible. The case of one cylindrical obstacle and that of two cylinders in interaction are studied by numerical simulations. The results concerning rigid zones, stability, viscoplastic boundary layer are presented as a function as Oldroyd number. The case of one cylinder has been examined experimentally by drag measurement and flow characterisation by particle image velocimetry. The yield stress fluid used has been the subject of an in-depth rheometrical characterisation. Experimental results allowed to compare the elastoviscoplastic behaviour of the used gel to the results obtained with existing viscoplastic laws. In a second time, inertial effects were taken into account. An experimental study was undertaken on the flow around a cylindrical obstacle plunged in a rotating tank. This study, completed by numerical simulation, allowed to identify the effects of plasticity, shear-thinning and elasticity on the wake behind the cylindrical obstacle. The recirculation zone in the laminar steady regime and the transition between this regime and the one of laminar vortex shedding was specially examined.