Etude expérimentale du sillage et des vibrations …...M2 DET Dynamique des uides, Energétique et...
Transcript of Etude expérimentale du sillage et des vibrations …...M2 DET Dynamique des uides, Energétique et...
M2 DET
Dynamique des �uides, Energétique et Transferts
PROPOSITION DE STAGE 2017�2018
Etude expérimentale du sillage et des vibrations d'un cylindre
�exible incliné dans un écoulement
Laboratoire
Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT)
Responsables
Rémi Bourguet ([email protected], 05 34 32 29 31)Romain Mathis ([email protected], 05 34 32 28 36)
1 Contexte général
Les structures �exibles de grand rapport de forme (grand rapport longueur/diamètre) immergées dansles écoulements sont omniprésentes dans la nature (arbres, plantes dans le vent) et dans les applicationsindustrielles (génie civil, o�shore: lignes d'amarrages, câbles divers, haubans, risers pétroliers, . . . ). Desvibrations structurales apparaissent fréquemment dans de tels systèmes physiques. Elles peuvent êtrede di�érentes natures, impliquant ou non un couplage entre le mouvement du corps et l'instationnaritéde l'écoulement. Les vibrations induites par les écoulements ont fait l'objet de nombreux travaux car:
• elles induisent une fatigue accrue des structures - on cherche donc à les prédire et à les atténuer;
• elles peuvent être utilisées pour `extraire' de l'énergie des écoulements - on cherche alors à lesexploiter dans le contexte des sources d'énergie renouvelables (énergie marine, éolien).
Dans les applications pratiques (par exemple en génie civil), les structures sont souvent inclinées dansl'écoulement. Ces con�gurations ont été peu étudiées: la forme du sillage tourbillonnaire et la naturedes vibrations apparaissant spontanément dans ce contexte restent à explorer. C'est l'objet de laprésente étude qui vise notamment à clari�er des observations antérieures réalisées sur la base desimulations numériques (�gure 1).
2 Présente étude
On considère ici un long cylindre �exible, encastré à une extrémité et immergé dans un écoulement uni-forme avec un angle d'inclinaison pouvant varier de 0◦ (axe du cylindre perpendiculaire à l'écoulementincident) à 45◦.L'objectif est de caractériser le comportement du système �uide-structure (réponses vibratoires, fréquencesdu sillage, . . . ) dans un espace paramétrique dé�ni par les propriétés de la structure (raideur notam-ment), l'angle d'inclinaison et le nombre de Reynolds (typiquement ∼ 103). On cherche en particulierà (1) tester la validité du `principe d'indépendance' qui suggère que la dynamique du système est es-sentiellement gouvernée par la composante de l'écoulement normale au cylindre et (2) analyser l'e�etde l'extrémité libre du cylindre.Cette étude expérimentale sera réalisée dans la sou�erie S2 de l'IMFT, dans laquelle plusieurs typesde mesures seront employées: mesures de la vitesse du �uide par anémométrie �l chaud, mesures du
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Figure 1: Iso-surfaces de vorticité instantanée en aval d'un cylindre �exible soumis aux vibrationsinduites par vortex à un nombre de Reynolds égal à 500: (a) cylindre incliné à 60◦ et (b) cylindrenormal à l'écoulement.Simulations numériques issues de Bourguet, Karniadakis & Triantafyllou, Journal of Fluids and Structures 53, 2015.
champ de pression à l'aide de manomètres et de microphones, mesures des vibrations du cylindre paraccélérométrie. Un e�ort plus particulier portera sur l'anémométrie �l chaud a�n de caractériser lechamp de vitesse en aval du cylindre en utilisant, d'une part, une seule sonde pour déterminer lespro�ls moyens et �uctuants ainsi que le contenu spectral du sillage, et d'autre part, deux ou plusieurssondes pour déterminer les corrélations entre di�érents points de l'écoulement et ainsi identi�er plusprécisément sa structure.
3 Compétences requises
Concernant l'approche physique du problème, des connnaissances fondamentales de mécanique des�uides (sillages tourbillonnaires, forces �uides, . . . ) seront requises. Des bases de dynamique desstructures élancées et d'interaction �uide-structure seraient également appréciées.Pour la mise en place et la réalisation des expériences en sou�erie, un sens pratique et une bonneorganisation seront nécessaires. Le pilotage des mesures se fera via Matlab - une connaissance de celogiciel serait un avantage. Des connaissances en traitement du signal seront requises pour l'exploitationdes données expérimentales.
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