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Étude expérimentale du mouvement d’une sphère dans un jet turbulent

Étude expérimentale du mouvement d’une sphère dans un jet turbulent. Samuel Davoust, Laurent Jacquin, Olivier Marquet. Réunion ANR OBLIC, le 15 juin 2010, IMFT, Toulouse. Contexte. Positionnement dans ANR-OBLIC Fourniture des codes de stabilité globale

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Étude expérimentale du mouvement d’une sphère dans un jet turbulent

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Presentation Transcript

  1. Étude expérimentale du mouvement d’une sphère dans un jet turbulent Samuel Davoust, Laurent Jacquin, Olivier Marquet Réunion ANR OBLIC, le 15 juin 2010, IMFT, Toulouse

  2. Contexte • Positionnement dans ANR-OBLIC • Fourniture des codes de stabilité globale • Étude expérimentale d’un corps mobile (sphère) dans un écoulement turbulent (Re ~ 104 – 105) • Stabilité globale d’une sphère d ans un écoulement turbulent (approche RANS) • Moyens mis en place/à mettre en place • Stage M2R (Samuel Davoust, 2008) et stage Option X (Jonathan Poirier, 2009) • Recrutement d’un post-doc avant fin 2010 (durée 1 an)

  3. Visualisation du mouvement de la sphère • Caméra rapide (100 images par seconde) • Augmentation de la vitesse du jet • Observations: • La position verticale moyenne augmente avec la vitesse du jet • Des oscillations radiales et verticales 5 à 10 Hz 1 à 2 Hz

  4. Les paramètres du problème • 7 paramètres dimensionnés dont 4 paramètres de contrôle • Jet: diamètre buse, vitesse buse, viscosité et densité air • Balle: diamètre, densité • Gravité • 4 nombres adimensionnels • Rapports densité et diamètre • Nombre de Froude et de Reynolds

  5. Hauteur moyenne : tous les jeux de paramètres testés db δ(zm) Pour la hauteur moyenne ,équilibre poids – force de traînée sphère Force de traînée d’une sphère dans un jet auto similaire

  6. Evolution temporelle des positions verticales et radiales Positions instantanées de la balle dans le plan z-r Rayon jet Rayon balle Les amplitudes d’oscillations sont petites comparées à l’épaisseur du jet ?

  7. Fluctuation positions: Trois régimes identifiés Rms des positions verticales (▲) et radiales (▼) (adimensionnés par )

  8. Fluctuation positions: Régime I Rms des positions verticales (▲) et radiales (▼) (adimensionnés par )

  9. Fluctuation positions: Régime II Rms des positions verticales (▲) et radiales (▼) (adimensionnés par )

  10. Fluctuation positions: Régime III Rms des positions verticales (▲) et radiales (▼) (adimensionnés par )

  11. Oscillations horizontales r db δ(zm) Une force de portance apparaît quand la balle n’est pas sur l’axe du jet Mesure expérimentale de cette force Force de rappel

  12. Oscillations horizontales: fréquence d’oscillation r db δ(zm) Mouvement oscillant de fréquence Petit déplacement r → linéarisation autour r=0 La pente donne la fréquence

  13. Oscillations horizontales: fréquence d’oscillation Hypothèse « petit déplacement » → loi pour la fréquence fr • Symboles: • Transformée de Fourier de la position radiale instantanée • Courbe hachurée: • Loi analytique • Carrés rouges: • Mesures de force

  14. Modèle d’oscillateur forcé par la turbulence Termes dissipatifs reliés à la traînée induite par le déplacement de la balle Termes de forçage extérieur prenant en compte les fluctuations turbulentes en amont du jet

  15. Amplitude d’oscillation Fonction de transfert d’un oscillateur Densité spectrale du forçage turbulent Réponse spectrale

  16. Conclusions • Identification des paramètres du problème • Mise en évidence expérimentale des phénomènes physiques régissant le mouvement de la sphère dans la limite de petit déplacement • Hauteur moyenne→ équilibre poids – force de traînée dans jet turbulent • Fréquence d’oscillation → force portance • Amplitude d’oscillations • Quelques questions en suspens • Plusieurs origines physique pour expliquer la force de rappel • pour des balles de petit diamètre: effet Coanda = déviation du jet • pour des balles de grand diamètre: cisaillement amont (paradoxe?) • Le modèle proposé ne permet pas d’expliquer les larges fluctuations de la position verticale observées pour F grand. Limite de l’hypothèse linéaire? • Aspects tridimensionnels du mouvement • Rotation de la sphère

  17. Travail envisagé • Projet post-doctoral • « L’objectif de ce travail consistera à compléter et étendre les données expérimentales obtenues par Davoust & Jacquin. Cette expérience sera une première car la position et la rotation de la sphère dans l’espace (Model Deformation Measurements) ainsi que les vitesses instantanées de l’écoulement autour de celle-ci (Time Resolved Particle Image Velocimetry) seront mesurées simultanément. La seconde phase du projet consistera à proposer un modèle d’interaction fluide structure que l’on comparera aux données expérimentales. »

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