etude expérimentale d'écoulements internes turbulents

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  • Rapport dHabilitation Diriger des RecherchesUniversit Pierre et Marie Curie

    Spcialit : Mcanique

    prsent parFlorent Ravelet

    Etude exprimentale dcoulements internesturbulents monophasiques et multiphasiques.

    Soutenue le 20 novembre 2013 devant le jury compos de :

    Georges Grolymos : prsidentGeorges Descombes : rapporteurSouad Harmand : rapporteurInnocent Mutabazi : rapporteurBrengre DubrulleFarid Bakir

    Laboratoire DynFluid, Arts et Mtiers ParisTech

  • Colette

  • iv

    25 novembre 2013

  • v

    Remerciements

    Je tiens tout dabord remercier chaleureusement les membres du jury pour mavoir faitlhonneur dvaluer ces travaux et pour les changes que nous avons eu cette occasion. Jespreque ceux-ci seront fructueux et en tout cas, ils me guideront dans un avenir proche.

    La prparation de cet exercice sest faite dans le cadre du laboratoire DynFluid, dont jeremercie la directrice Paola Cinnella ainsi que le chef du groupe "turbomachines" Farid Bakirpour la libert avec laquelle nous pouvons travailler et orienter nos travaux, tout en bnficiantdu soutien du laboratoire. Je tiens galement remercier lensemble des membres du laboratoireavec qui jai pu avoir des discussions diverses et varies et plus particulirement ceux qui ontapport des rponses mes questions d"ordre numrique", autour des instabilits, proposdquation dEuler des turbomachines et d"lvation de pression statique ? ou totale ?",. . .

    Je suis redevable lensemble des personnes avec qui jai pu collaborer ou dont jai puprofiter de la bienveillante direction et de lexprience, au 1 premier chef Arnaud Chiffaudel etFranois Daviaud, Ren Delfos, Frdric Risso puis Farid Bakir, ainsi que Thomas Loiseleux,Marc Rabaud, Louis Mari, Brengre Dubrulle, Jacques Lorat, Jean-Franois Pinton, PhilippeOdier, Mickal Bourgoin, Catherine Colin, Christophe Sarraf, Robert Rey, Sofiane Khelladi etRicardo Noguera, Brice Saint-Michel, . . .

    De mme, je tiens remercier les lves et tudiants en thse que jai encadr, avec parfoisun rel plaisir. Les rsultats prsents ici doivent beaucoup en particulier Arnaud Guet etJrmie Pallacci, Jean-Renan de Ca et Charles Vallet, Antoine Lemaire, Pierre-Arthur Rati,Hussain Nouri, Juan Wang, Amlie Danlos,. . .

    Un travail dominante exprimentale serait impossible sans un support technique de qualit.Un grand merci Vincent Padilla et Marc Moulin, ainsi qu Joop Bode et Cor Gerritsen, Jean-Pierre Escafit, Marc Moulin et Josselin Mistigres.

    Merci enfin aux amis et la famille, mes petits loups et Edith qui ma battu de 6 moiset trois jours pour laccouchement.

    1. (x)

    25 novembre 2013

  • vi TABLE DES MATIRES

    Table des matires

    Remerciements v

    1 Organisation du mmoire 3

    2 Resum du parcours scientifique 3

    I Elments biographiques 7

    1 Curriculum Vitae 9

    2 Activits pdagogiques et dencadrement 112.1 Enseignement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2 Encadrement de stages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3 Encadrement de thses de doctorat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    3 Liste de Publications au 31 aot 2013 16

    II Rapport scientifique 23

    1 Axe 1 : Instabilits et bifurcations en coulements turbulents monophasiques 251.1 Ecoulement de von Krmn inertiel (2002-2013) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.2 Ecoulement de Taylor-Couette (2005-2010) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

    2 Axe 2 : Ecoulements dans les machines tournantes 472.1 Optimisation des impulseurs pour lexprience VKS (2002-2006) . . . . . . . . . 472.2 Turbomachines axiales contrarotatives (2009-) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

    3 Axe 3 : Dynamique et instabilits en coulements diphasiques 603.1 Ecoulements de fluides non miscibles (2006-2011) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.2 Ecoulements cavitants (2009-) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

    4 Perspectives 72

    Bibliographie 73

    III Receuil des principales publications 83

    1 Axe 1 851.1 Supercritical transition to turbulence in an inertially driven von Krmn closed

    flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 851.2 The von Krmn Sodium experiment : Turbulent dynamical dynamos . . . . . . 85

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  • TABLE DES MATIRES vii

    1.3 Influence of global rotation and Reynolds number on the large-scale features of aturbulent TaylorCouette flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

    1.4 Kinematic alpha-Tensors and Dynamo Mechanisms in a von Krmn Swirling Flow 86

    2 Axe 2 1472.1 Toward an experimental von Krmn dynamo : Numerical studies for an opti-

    mized design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1472.2 Study of the Aerodynamics/Aeroacoustics of an Axial-Flow Fan : Experimental

    Validation of a LES/LPCE/Brinkman Penalization Method . . . . . . . . . . . . 1472.3 Experimental study of blade thickness effects on the overall and local perfor-

    mances of a Controlled Vortex Designed axial-flow fan . . . . . . . . . . . . . . . 1472.4 Experimental Study of the Instationary Flow Between Two Ducted Counter-

    Rotating Rotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

    3 Axe 3 1953.1 On the dynamics and breakup of a bubble rising in a turbulent flow . . . . . . . 1953.2 Study of the cavitating instability on a grooved Venturi profile . . . . . . . . . . 1953.3 Experimental study of hydraulic transport of large particles in horizontal pipes . 195

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  • viii TABLE DES MATIRES

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  • 1

    Introduction

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  • 2. Resum du parcours scientifique 3

    1 Organisation du mmoireCe mmoire prsente une synthse de mes travaux de recherche effectus depuis ma sou-

    tenance de thse en septembre 2005. Lensemble sarticule autour de problmes touchant auxcoulements turbulents, tant monophasiques que multiphasiques abords principalementdun point de vue exprimental. Les problmes traits sont tout autant dordre fondamentalque plus appliqu. Cette prsentation est organise autour de 3 axes :

    1. les instabilits et bifurcations en coulements turbulents monophasiques ;2. ltude des coulements dans les machines tournantes et leur conception ;3. la dynamique et les instabilits en coulements diphasiques.Ces 3 axes ont en commun un certain nombre de traits, comme la caractrisation au moyen

    doutils exprimentaux conus dessein, lanalyse des donnes obtenues (signaux temporels ouchamps de vitesse LDV/PIV) au moyen du dveloppement doutils de post-traitement (analysedimage) et enfin lintrt port aux phnomnes instationnaires et dynamiques.

    La premire partie du mmoire consiste en une prsentation synthtique de mes activitsdenseignement et de recherche. La seconde partie constitue une prsentation dtaille de travauxet des perspectives associes, selon les 3 axes identifis. Enfin, la troisime partie est un receuildes publications les plus significatives se rattachant chacun de ces 3 axes.

    2 Resum du parcours scientifiqueCe rsum de mon parcours est aussi loccasion de prsenter lensemble des personnes avec

    qui jai eu la chance de travailler et de leur rendre hommage.

    Dcouverte

    Au cours de mes tudes dingnieur lENSTA, jai eu loccasion de dcouvrir puis dap-profondir la mcanique et la physique des fluides. En deuxime anne, je me suis notammentdirig vers un parcours approfondissant les problmes dinstabilit, de chaos et de turbulence.Jai eu la chance deffectuer un stage de deux mois au FAST (Paris XI) sous la direction deT. Loiseleux, portant sur la formation de dunes sous-marines (Doppler et al. (2007)).

    Aprs cette dcouverte de la recherche exprimentale, jai alors suivi, paralllement laformation Architecture Navale et Gnie Maritime de troisime anne de lENSTA, le DEAde mcanique de Paris VI, poursuivant ltude des systmes dynamiques, du non-linaire et dela turbulence. Mon stage de DEA sest effectu au Service de Physique de ltat Condens duCEA-Saclay, sous la direction dA. Chiffaudel et F. Daviaud, en prlude ma thse de doctorat.

    Thse de doctorat

    Ma thse de doctorat (Ravelet, 2005) porte dune part sur ltude des grandes chelles et deleurs fluctuations dans un coulement turbulent ferm entre deux disques contrarotatifs munisde pales (coulement de type von Krmn inertiel : Douady et al. (1991); Cadot et al.(1997)). Ce travail constitue dautre part une contribution au dveloppement dune expriencede magntohydrodynamique en sodium liquide visant observer leffet dynamo (collaborationVKS regroupant les CEA Saclay et Cadarache, et les ENS Paris et Lyon 1).

    Nous avons ainsi mis en vidence et tudi principalement au moyen de mesures de couple une bifurcation globale de lcoulement turbulent, caractrise par la coexistence dtats moyens

    1. http://perso.ens-lyon.fr/nicolas.plihon/VKS/index.php

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    http://perso.ens-lyon.fr/nicolas.plihon/VKS/index.php

  • 4 2. Resum du parcours scientifique

    brisant les symtries du systme et par des transitions avec hystrsis (Ravelet et al., 2004) etobserve uniquement pour des coulements pleinement turbulents (Ravelet et al., 2008b).

    A partir de mesures par LDV 2 du champ de vitesse moyen et de simulations numriquesavec un code de dynamo cinmatique, nous avons alors cherch optimiser la forme des pales envue de lobtention de leffet dynamo (Ravelet et al., 2005). En collaboration avec Stefani et al.(2006), nous avons men des simulations complmentaires sur leffet des conditions aux limitesqui ont conduit au choix dun matriau de forte permabilit magntique pour les impulseurs.Jai enfin particip un ense

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