Etude expérimentale de l'écoulement autour d'un cylindre en rotation perpendiculairement à l'écoulement moyen

par Gonikodé Kahissim

Thèse de doctorat en Mécanique-énergétique. Mécanique des fluides

Sous la direction de Larbi Labraga.

Soutenue en 2006

à Valenciennes .

mots clés

• Nombre de Strouhal
• Cylindre en rotation
• Décollement des écoulements
• Tourbillons (mécanique des fluides)

Résumé

Dans un écoulement, l’étude des zones décollées revêt un intérêt certain de part les phénomènes nuisibles qu’elles engendrent. Il est donc important de contrôler ce décollement, voire même le supprimer. Le moyen de contrôle utilisé ici repose sur la rotation d’un cylindre perpendiculairement à un écoulement. Deux techniques de mesures ont été utilisées : la Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) et la Vélocimétrie Laser par effet Doppler (LDV). Les mesures ont été réalisées pour trois nombres de Reynolds et pour différentes valeurs de aplha (rapport entre la vitesse périphérique du cylindre et celle de l’écoulement). Cette étude a permis de montrer que le nombre de Strouhal augmente avec alpha et de vérifier le critère de décollement suggéré par Moore, Rott et Sears. Nous avons montré que le maximum du taux de fluctuation de vitesse tangentielle constitue un excellent critère pour localiser le décollement autour du cylindre en rotation. Le critère basé sur le maximum de la composante radiale permet de déterminer qualitativement la position du point de décollement. Le champ de vitesse fourni par la PIV a permis de localiser la position du point d’arrêt qui se déplace dans le sens opposé à la rotation du cylindre. L’analyse du champ de vorticité montre que c’est dans la région où le cylindre se déplace dans le sens opposé de l’écoulement que l’iso-vorticité est la plus intense. On montre que la vorticité disparaît, quand la vitesse périphérique du cylindre est quatre fois supérieure à celle de l’écoulement. Les résultats obtenus à l’aide de simulations numériques de type (k-omega) ont montré leur limite quant à leur prédiction de l’écoulement en dehors de la zone de sillage.

Titre traduit

Experimental study of the flow around a rotating cylinder perpendicularly to the mean flow

Résumé

In a flow, the study of separated zones presents a major interest because of the perturbation that it generates. It is thus significant to control this separation, and even to remove it. The control used here is based on a rotating cylinder in cross flow. Two measurement techniques were used: Particle Image Velocimetry (PIV) and Laser-Doppler Velocimetry (LDV). Measurements were carried out for three Reynolds numbers and for various values of  (ratio between the peripheral speed of the cylinder and the free stream velocity). This study shows that the Strouhal number increases with  and to verify the criterion of separation suggested by Moore, Rott and Sears. We showed that the maximum of the tangential velocity fluctuation rate is an excellent criterion to localize separation around the rotating cylinder. The criterion based on the maximum of the radial velocity component permits to determine qualitatively the position of the separation point. It is noted that the vorticity disappears, when the speed of the cylinder is four times higher than the free stream velocity. The velocity field provided by the PIV permits to locate the stagnation point which moves with an opposing motion to that of the cylinder. The analysis of the vorticity field shows that it is in the region where the cylinder moves in the opposite direction of the flow that the iso-vorticity is much more strong. The results obtained by the (k-) numerical simulations fail to predict the flow field around the rotating cylinder except in the wake of the cylinder.