Axe - Méthodes Expérimentales et Physique des Fluides

Axe 1 : Ecoulements cavitants

La physique de la cavitation est extrêmement complexe, mettant en jeu éventuellement : la compressibilité du mélange, la tension de surface, des échanges de masse et de quantité de mouvement, des échanges de chaleur entre phases… De plus les écoulements de base sont assez fortement turbulents. Les études menées dans cet axe de recherche portent principalement sur les instabilités des poches de cavitation, leur caractérisation et les moyens éventuels de contrôler ces mécanismes.

Exemples d'actions menées

Contrôle passif des instabilités de poche de cavitation

Cette action a consisté à caractériser la dynamique de lâchers de poche le long du divergent d’un Venturi et à étudier l’influence de rainures longitudinales sur les fréquences et les tailles de poches, notamment au moyen de la décomposition orthogonale en modes propres (POD) en l'appliquant pour une des premières fois en cavitation [Thèse J.-E. Méhal 2014], [Danlos et al., IJHFF 2014], [Danlos et al., JFE 2014].

Etudes sur la cavitation "aérée"

Nous utilisons dans cette étude une géométrie avec deux venturis 2D opposés. Ceci permet d'explorer la symétrie et la synchronisation entre les poches se développant en partie haute et en partie basse. De l'air est également injecté en très faible quantité (1% en débit volumique). Sans air, à nombre de cavitation grand et moyen, les deux poches sont statistiquement symétriques, et se détachent périodiquement et en phase avec un nombre de Strouhal de l'ordre de 0.2 à 0.3. A plus bas nombre de cavitation, la symétrie haut/bas est brisée pour des poches supercavitantes. Enfin, en présence d'air injecté, on observe une modification draastique pour tous les régimes, la symétrie étant brisée dès les plus petites poches de cavitation, et la poche du haut ne présentant quasiment plus de détachements périodiques  [Thèse P. Tomov 2016], [Tomov et al., 9th int. symposium on cavitation 2015], [Tomov et al., ETFS 2016].

Travaux en cours

Développement de codes de simulation

Nous développons également des modèles de cavitation dans le code CFD-Kit développé en interne au laboratoire. Ce code repose sur une formulation volumes finis, basés sur l'approximation par moindres carrés mobiles. Il s'agit d'un code compressible, mais pouvant fonctionner à très bas nombre de Mach. Le modèle de cavitation est de type modèle homogène à l'équilibre pour les aspects diphasiques, et deux équations d'états sont utilisées: une équation de Tait modifiée (ou équation d'état de Murnaghan-Tait) pour l'eau liquide, et une équation des gaz parfaits pour la vapeur. La modélisation du changement de phase repose sur un algorithme explicite à partir de la masse volumique du mélange et de l'équation de l'énergie interne massique.

Ce modèle permet par sa formulation compressible de mettre en évidence des effets de condensation par ondes de choc [Thèse P. Tomov 2016], [Croci et al., IMECE 2016], [Tomov et al. 2016]

Instabilités de cavitation en écoulement de base laminaire

Nous étudions actuellement la formation et la dynamique de poches de cavitation à très bas nombre de Reynolds, sur des écoulements de base laminaires, afin de réduire les mécanismes liés à l’inertie.

La veine d'essai est un venturi 2D simple, et deux huiles silicone de viscosité 100 cSt et 50 cSt sont utilisées. Avec de l'huile saturée en air à 1bar, un phénomène de dégazage présentant une importante hystérésis se produit tout d'abord: pour des nombres de Reynolds supérieurs à 650 et en dessous d'une pression critique supérieure à la pression de vapeur, des bulles en forme de tétard apparaissent sur les parois latérales. Elles persistent ensuite en abaissant le nombre de Reynolds jusqu'à 350 et pour des valeurs de pression élevées.

[Thèse Croci 2019, Croci et al., 10th int. symposium on cavitation 2018]

Dans le cas où l'huile a été très fortement dégasée, des poches de cavitation apparaissent sur la partie centrale divergente du venturi pour des pressions beaucoup plus faibles. Ces poches sont stationnaires pour des nombres de Reynolds compris entre 800 et 1350, et passent abruptement d'une petite taille à des poches supercavitantes suite à une faible réduction de la pression du système. Puis, on voit apparaitre une dynamique périodique pour Re>1400, dans une faible gamme de nombres de cavitation, qui s'étend ensuite pour des valeurs croissantes du nombre de Reynolds.

[Croci et al., POF 2019, Ravelet et al., ISROMAC 2020].

Axe 2 : Dynamique a grande echelle dans les écoulements turbulents

Cet axe regroupe un ensemble de travaux portant sur des bifurcations susceptibles d’affecter un écoulement pleinement turbulent. Nous nous intéressons plus particulièrement à des transitions de la stucture à grande échelle sous l’influence des paramètres de contrôle, conduisant à de l’hystérésis ou à une dynamique non-triviale à grande échelle et sur des temps très longs.

Exemples d'actions menées

Influence de textures pariétales sur les structures cohérentes et la dissipation d'énergie dans un écoulement de Taylor-Couette

Nous étudions l’influence de la forme géométrique des parois sur la transition à la turbulence et l’organisation des structures cohérentes dans un écoulement fermé tournant de type Taylor-Couette, modèle pour les écoulements dans un moteur électrique ultra-compact. Trois configurations de cylindres internes ayant 6, 12 et 24 rainures sont comparées au cas lisse de référence. Des mesures de couple et de vitesse en un point par LDA sont effectuées. Les rainures ont tendance à faire disparaître les vortex de Taylor turbulents. On observe une augmentation du frottement avec le nombre de rrainures, mais la contribution de chaque rainure diminue. Enfin, le scaling de la friction avec le nombre de Reynolds n'est que peu modifié, ce qui suggère que la contribution de l'écoulement en volume domine la friction. [Sodjavi et al., ETFS 2018]

Travaux en cours

Multistabilité autour d'un profil épais

Un deuxième exemple d’action de recherche concerne un phénomène de basculements intermittents entre plusieurs états caractérisés par une force de portance différente pour l’écoulement autour d’un profil très épais (35%) en forte incidence comme on en trouve par exemple en pied des pales d’éoliennes.