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Trajectoire et sillage d'un corps en chute libre en interaction avec un autre corps ou en présence d'un confinement

Brosse, Nicolas (2010) Trajectoire et sillage d'un corps en chute libre en interaction avec un autre corps ou en présence d'un confinement. (Path and wake of a falling body in interaction with another body or in presence of confinement.)

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Abstract

Un corps en chute libre dans un fluide sous l'effet de la gravité peut être soumis à des perturbations. De façon générale, celles-ci peuvent être dues aux mouvements propres du fluide porteur, à la présence d'autres corps mobiles ou encore à la présence de parois. Dans un premier temps, nous avons choisi de nous intéresser à l'interaction de deux disques identiques chutant dans un fluide de densité proche de celle du corps. Différents comportements d'interaction sont observés pour des disques de rapports de forme variable (diamètre sur épaisseur) et des nombres de Reynolds (effets inertiel sur effets visqueux) couvrant des trajectoires rectilignes et périodiques oscillantes. Lorsque les disques sont lâchés en tandem, ils s'attirent et se rencontrent. Après le contact, le comportement dépend du rapport de forme : les disques épais se séparent et tombent côte à côte, tandis que les disques minces continuent leur évolution ensemble dans une configuration relative stable. Lorsque les corps sont lâchés côte à côte, on observe une répulsion des corps qui se traduit par un éloignement horizontal. Une modélisation pour chacun de ces comportements (attraction, répulsion) a été proposée. Dans un deuxième temps, nous avons étudié l’effet de parois fixes sur le mouvement d'un disque isolé en chute libre. Les disques sont lâchés dans des tubes cylindriques créant différents rapports de confinement (diamètre du disque sur diamètre du tube). Nous avons mis en évidence que le comportement du corps dépendait du rapport de forme : la trajectoire d'un disque mince est déstabilisée par le confinement, alors que celle d'un disque épais est stabilisée. Des visualisations des sillages à l'aide de colorants ainsi que des simulations numériques de l'écoulement autour de disques fixes ont été réalisées et ont permis de mieux comprendre le rôle du sillage sur les interactions. ABSTRACT : A body falling in a fluid under the effect of gravity may be perturbed by the presence of other bodies or fixed boundaries. We first focused our attention on the interaction of two identical disks in freefall. We investigated the kinematics of disks with different aspect ratios (ratio of diameter to thickness) and with different initial relative positions, for a range of Reynolds numbers (ratio of inertial effects to viscous effects) covering both rectilinear trajectories and periodic, oscillating trajectories. When the disks are falling in tandem, the trailing body accelerates until it catches up the leading one. After the contact, the behaviour depends on the aspect ratio. Thicker disks separate and fall side by side and separated while thinner disks continue their fall together in Y or T reversed position. A model of the different types of interaction (entrainment by the wake and horizontal repulsion) is proposed. The second part of the study is devoted to the effect of fixed walls on the kinematics of freely falling bodies. The behaviour again depends strongly on the aspect ratio : a thin disk is destabilized when the blockage ratio (ratio of disk diameter to tube diameter) increases, whereas thicks disks are stabilized. In addition, visualizations of the wakes using dyes and numerical simulations for fixed disks were performed and provide a better understanding of the role of the wake in the interaction.

Department:Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - IMFT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Ern, Patricia and Magnaudet, Jacques
Uncontrolled Keywords:Corps mobiles - Sillage de corps tridimensionnels - Instabilité - Trajectoire - Interaction - Confinement. KEYWORDS : Freely moving body - Interaction - Instability - Body wake - Path - Blockage ratio.
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Deposited On:14 April 2011

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