Ecoulements de fluides à seuil autour d'obstacles PDF Download
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Book Description
De nombreuses applications industrielles mettent en jeu des fluides complexes qui possèdent souvent un seuil d'écoulement leur permettant de résister à des efforts finis sans s'écouler. Par ailleurs, ces fluides peuvent glisser aux parois lorsque les conditions interfaciales sont favorables. Toutes ces propriétés influencent leurs écoulements autour d'obstacles. Cette thèse se propose de comprendre ces écoulements dans le domaine où les vitesses d'écoulement sont telles que les effets inertiels peuvent être négligés devant les effets visqueux eux-mêmes faibles par rapport aux effets plastiques. Elle analyse l'influence de la vitesse et du glissement sur la force de traînée et les champs cinématiques générés par l'écoulement très lent et en régime permanent d'un fluide à seuil autour d'obstacles aux surfaces adhérentes ou glissantes. Les géométries considérées sont le disque, la sphère, le cône et la plaque plane. Le fluide utilisé a un comportement élasto-viscoplastique pouvant être décrit par les modèles de Herschel-Bulkley et de Hooke. Ce comportement a été caractérisé en volume et en présence de glissement par des mesures rhéométriques. Le nombre adimensionnel clé de l'étude est le nombre d'Oldroyd, ratio entre les effets plastiques et les effets visqueux, compris ici entre 10 et 200. Les mesures de forces de traînée ont montré qu'indépendamment de l'obstacle et des conditions interfaciales, le coefficient de traînée diminue avec le nombre d'Oldroyd et tend vers une valeur asymptotique. Cette valeur montre qu'au-delà d'un certain nombre d'Oldroyd, ce coefficient n'est plus gouverné par la vitesse mais dépend uniquement du seuil et de la surface caractéristique de l'obstacle. Elle permet de calculer un critère de stabilité pour lequel l'objet est maintenu en suspension. Les champs cinématiques déterminés par PIV ont permis de caractériser la forme et l'étendue des zones rigides et cisaillées. Les mesures de forces de traînée et de champs cinématiques ont permis de quantifier la contribution des contraintes normales et tangentielles dans la force de traînée totale. La présence de glissement aux parois de l'obstacle diminue significativement le coefficient de traînée et modifie la morphologie de l'écoulement en réduisant l'étendue des zones cisaillées. Une simulation numérique a été menée dans le cas de la plaque plane avec un modèle élasto-viscoplastique et un code à éléments finis avec points d'intégration Lagrangiens.
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De nombreuses applications industrielles mettent en jeu des fluides complexes qui possèdent souvent un seuil d'écoulement leur permettant de résister à des efforts finis sans s'écouler. Par ailleurs, ces fluides peuvent glisser aux parois lorsque les conditions interfaciales sont favorables. Toutes ces propriétés influencent leurs écoulements autour d'obstacles. Cette thèse se propose de comprendre ces écoulements dans le domaine où les vitesses d'écoulement sont telles que les effets inertiels peuvent être négligés devant les effets visqueux eux-mêmes faibles par rapport aux effets plastiques. Elle analyse l'influence de la vitesse et du glissement sur la force de traînée et les champs cinématiques générés par l'écoulement très lent et en régime permanent d'un fluide à seuil autour d'obstacles aux surfaces adhérentes ou glissantes. Les géométries considérées sont le disque, la sphère, le cône et la plaque plane. Le fluide utilisé a un comportement élasto-viscoplastique pouvant être décrit par les modèles de Herschel-Bulkley et de Hooke. Ce comportement a été caractérisé en volume et en présence de glissement par des mesures rhéométriques. Le nombre adimensionnel clé de l'étude est le nombre d'Oldroyd, ratio entre les effets plastiques et les effets visqueux, compris ici entre 10 et 200. Les mesures de forces de traînée ont montré qu'indépendamment de l'obstacle et des conditions interfaciales, le coefficient de traînée diminue avec le nombre d'Oldroyd et tend vers une valeur asymptotique. Cette valeur montre qu'au-delà d'un certain nombre d'Oldroyd, ce coefficient n'est plus gouverné par la vitesse mais dépend uniquement du seuil et de la surface caractéristique de l'obstacle. Elle permet de calculer un critère de stabilité pour lequel l'objet est maintenu en suspension. Les champs cinématiques déterminés par PIV ont permis de caractériser la forme et l'étendue des zones rigides et cisaillées. Les mesures de forces de traînée et de champs cinématiques ont permis de quantifier la contribution des contraintes normales et tangentielles dans la force de traînée totale. La présence de glissement aux parois de l'obstacle diminue significativement le coefficient de traînée et modifie la morphologie de l'écoulement en réduisant l'étendue des zones cisaillées. Une simulation numérique a été menée dans le cas de la plaque plane avec un modèle élasto-viscoplastique et un code à éléments finis avec points d'intégration Lagrangiens.
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Ce travail de thèse concerne les écoulements de fluides à seuil de contrainte autour d'un obstacle cylindrique en milieu confiné avec une configuration d'écoulement de Poiseuille.Expérimentalement, un banc d'essai permettant d'obtenir un écoulement en continu dans un circuit fermé a été mis en place. Les régimes d'écoulement rampant, recirculant et instationnaire périodique ont été étudiés. De nouveaux résultats ont été obtenus avec un fluide newtonien et des solutions de Carbopol, polymère permettant de réaliser des fluides à seuil modèles utilisés en recherche et développement et dans l'industrie. Une caméra rapide et un éclairage plan laser a servi pour l'établissement d'images qui ont ensuite été traitées par PIV. Les champs de vitesses cinématiques, les morphologies d'écoulement et les paramètres critiques de transitions de régimes ont été déterminés.Numériquement, un modèle viscoplastique basé sur la loi de Herschel-Bulkley régularisée a été utilisé. Des résultats comme les morphologies d'écoulement, la localisation des zones rigides, les champs de vitesses ont été obtenus. Ceci a permis de comparer les différences entre les effets liés à la nature des gels de Carbopol et la modélisation viscoplastiques. Une étude spécifique sur le glissement à l'interface fluide-structure a également été réalisée avec l'utilisation d'un modèle de lubrification élasto-hydrodynamique.
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EN UTILISANT UNE TECHNIQUE DE VISUALISATION PAR TRACEURS SOLIDES COMPLETEE PAR DES MESURES DE FORCE, ON DETERMINE LES PRINCIPALES CARACTERISTIQUES DE L'ECOULEMENT ENGENDRE PAR LA TRANSLATION UNIFORME D'UN OBSTACLE, AXISYMETRIQUE RIGIDE ET DE VOLUME IMPOSE, SUIVANT L'AXE D'UN TUBE CYLINDRIQUE VERTICAL, REMPLI D'UN LIQUIDE NEWTONIEN OU NON NEWTONIEN, DANS LE DOMAINE DES TRES FAIBLES NOMBRES DE REYNOLDS. ON ETUDIE LES INFLUENCES RESPECTIVES DE LA FORME DE L'OBSTACLE ET DES PROPRIETES RHEOLOGIQUES DES DIFFERENTS FLUIDES UTILISES. DE PLUS, DANS LE CAS NEWTONIEN, ON CALCULE LES CHAMPS HYDRODYNAMIQUES CORRESPONDANTS AU MOYEN D'UNE METHODE D'OPTIMISATION QUADRATIQUE; ON EN DEDUIT EN PARTICULIER LES CARACTERISTIQUES NON DIRECTEMENT ACCESSIBLES A LA MESURE COMME LE CHAMP DE VORTICITE ET DES VITESSES DE DEFORMATION
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Les écoulements rampants, recirculants et instationnaires d'un fluide viscoplastique autour d'un cylindre ont été étudiés.Numériquement, les morphologies des écoulements, la localisation des zones rigides, les champs de contraintes et pression autour du cylindre ainsi que le coefficient de traînée, ont été déterminés sur un large domaine des nombres de Reynolds et d'Oldroyd.Expérimentalement, les fluides étudiés sont des gels de polymère Carbopol®. Le comportement élastoviscoplastique de ces gels a été modélisé par une loi d'Herschel-Bulkley adaptée. Le montage expérimental conçu et réalisé a été validé par l'étude de l'écoulement d'un fluide newtonien autour d'un cylindre et la mise en place d'une procédure adaptée pour les fluides à seuil.On a pu constater l'influence des conditions d'interface avec l'apparition d'une morphologie de lâchers de tourbillons simultanés et symétriques.
Author: Xavier Martin Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 0
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On s'intéresse dans ce document à la modélisation d'écoulements compressibles en conduite unidimensionnelle (1D) à section variable et dans des domaines bi ou tridimensionnelles encombrés d'obstacles. Le travail est motivé par la modélisation d'écoulements dans les circuits de refroidissement de réacteurs à eau pressurisée (REP). Ainsi ce travail a pour objectif de proposer une nouvelle formulation pour de tels écoulements. L'idée de base consiste a utiliser une formulation intégrale sur la base des équations aux dérivées partielles. Le système de lois de conservation associé aux équations d'Euler (masse, dynamique et énergie) est examiné.Le premier chapitre examine le cas de conduite 1D à section continue ou discontinue. La formulation intégrale est présentée et les résultats numériques sont comparés avec (i) l'approche Well-Balanced et (ii) la solution de référence obtenue sur maillage très fin.Les second et troisième chapitres examinent la modélisation d'écoulements compressibles dans des domaines contenant de nombreux tubes. La formulation intégrale est donnée, et les schémas numériques présentés, afin de gérer les interfaces fluide/fluide et les parois. Les schémas peuvent être explicites (chapitre 2), ou implicites (chapitre 3). Quelques cas tests analytiques sont présentés. On se concentre sur l'écoulement d'un fluide abordant une zone de tubes alignés de petite taille. Ici encore, la comparaison est faite avec la référence fluide; les résultats sont également comparés avec ceux issus de l'approche équilibre classique, et ceux associés à la formulation intégrale unidimensionnelle présentée dans le premier chapitre.
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ON DOIT A HELMHOLTZ ET KIRCHHOFF LA SIMULATION DE SILLAGE EPAIS PAR UNE ZONE DE FLUIDE MORT INFINIE A PRESSION AMBIANTE. A COTE D'UNE METHODE UTILISANT LA TRANSFORMATION CONFORME, NOUS PROPOSONS UNE APPROCHE PAR SINGULARITES PERMETTANT LE TRAITEMENT DES OBSTACLES MULTIPLES. DEUX CONDITIONS S'APPLIQUENT SUCCESSIVEMENT A CHAQUE LIGNE DE GLISSEMENT. LA PREMIERE PARTIE, PROCHE DE L'OBSTACLE, EST REGIE PAR UNE CONDITION DE LIBERTE STATIONNAIRE ALORS QUE LA DEUXIEME OBEIT A UNE GEOMETRIE ASYMPTOTIQUE DIRECTEMENT RELIEE AUX EFFORTS AGISSANT SUR L'OBSTACLE. NOUS METTONS EN UVRE UNE METHODE DE COUPLAGE AVEC UN CALCUL DE COUCHE LIMITE OU L'ON CONSTATE LES LIMITES DU MODELE DES QUE LA PRESSION DE SILLAGE REELLE DIFFERE DE LA PRESSION DE L'ECOULEMENT GENERAL. NOTRE MODELE DES SILLAGES A PAROIS VIRTUELLES, INSPIRE DE CEUX DE ROSHKO ET WU, PERMET LE CALCUL D'UNE PRESSION DE SILLAGE EN EGALISANT DEUX EXPRESSIONS DE LA TRAINEE, SANS RECOURIR AUX DONNEES EXPERIMENTALES. LA THEORIE EST BASEE SUR LA TRANSFORMATION CONFORME ET SUR LA RESOLUTION D'UN PROBLEME MIXTE. APRES AVOIR REPLACE CELUI-CI DANS LE CADRE GENERAL DU PROBLEME DE HILBERT, NOUS PRESENTONS UNE NUMERISATION DE L'INTEGRALE SOLUTION, D'ABORD VALIDEE SUR DES FONCTIONS ANALYTIQUES TESTS, PUIS SUR LE MODELE DE HELMHOLTZ-KIRCHHOFF MODIFIE AFIN D'Y CONSERVER LE PROBLEME MIXTE INITIAL. LES PREMIERS RESULTATS CONCERNANT LE CYLINDRE CIRCULAIRE S'ACCORDENT REMARQUABLEMENT AVEC LES RESULTATS EXPERIMENTAUX. FINALEMENT, NOUS EXAMINONS LA CONFIGURATION OBTENUE PAR LE CALCUL INSTATIONNAIRE (THEORIE MUDRY) DE L'ECOULEMENT AUTOUR D'UN PROFIL A DEUX POINTES MAINTENU A INCIDENCE FIXE, CHAQUE POINTE ETANT LIEU D'EMISSION D'UNE LIGNE DE GLISSEMENT. NOUS OBTENONS UNE ALLURE PERIODIQUE DE L'ECOULEMENT AVEC CASSURE ET ENROULEMENT DES LIGNES DE GLISSEMENT, LES GRANDEURS CARACTERISTIQUES (CIRCULATION, EFFORTS) VARIANT AUTOUR DE VALEURS MOYENNES AVEC DE FORTES AMPLITUDES
Author: Jiwen He Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 245
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DANS CETTE ETUDE, NOUS NOUS PROPOSONS DE RESOUDRE DES PROBLEMES AUX LIMITES LIES A LA SIMULATION D'ECOULEMENTS TRANSSONIQUES PAR DES METHODES DE DOMAINES FICTIFS. LA PREMIERE PARTIE DE CETTE THESE SERA CONSACREE A L'ETUDE THEORIQUE DE TROIS METHODES DE DOMAINES FICTIFS UTILISEES POUR LA RESOLUTION DE PROBLEMES AUX LIMITES ELLIPTIQUES. LA PREMIERE METHODE INTRODUIT UN PROBLEME DE CONTROLE OPTIMAL, LA DEUXIEME EST FONDEE SUR L'UTILISATION DE MULTIPLICATEURS DE LAGRANGE, ET LA TROISIEME S'APPUIE SUR UNE FORMULATION EN MOINDRES CARRES. LA SECONDE PARTIE DE CETTE THESE PORTE SUR LA MISE EN UVRE NUMERIQUE DE LA METHODE DES MOINDRES CARRES, POUR LA SIMULATION D'ECOULEMENT TRANSSONIQUE DE FLUIDES PARFAITS COMPRESSIBLES EN REGIME INSTATIONNAIRE, AUTOUR DE CONFIGURATIONS COMPLEXES PORTANTES. LES RESULTATS NUMERIQUES OBTENUS, SUR LA RESOLUTION D'UN PROBLEME BIDIMENSIONNEL DE LARGAGE DE CHARGE, MONTRENT LA ROBUSTESSE ET LA PRECISION DE CETTE METHODE. ELLE EST EN OUTRE D'IMPLEMENTATION PLUS AISEE QU'UNE METHODE DE RESOLUTION BASEE SUR DES MAILLAGES ADAPTES AUX BORDS DES OBSTACLES
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CE TRAVAIL PORTE SUR L'ETUDE EXPERIMENTALE DES ECOULEMENTS EN CHARGE, DE FLUIDES A SEUIL, DANS DES CONDUITES A SECTION CIRCULAIRE ET AU TRAVERS DE SINGULARITES PAR CHANGEMENT BRUSQUE DE SECTION. DANS UN PREMIER TEMPS, NOUS AVONS EFFECTUE LA CARACTERISATION RHEOMETRIQUE DU FLUIDE A SEUIL MODELE TRANSPARENT UTILISE. POUR LES EXPERIENCES DANS LESQUELLES IL EST UTILISE, CE FLUIDE EST CARACTERISE PAR UN COMPORTEMENT DE HERSCHEL-BULKLEY. NOUS AVONS ENSUITE DONNE UNE DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INSTALLATION EXPERIMENTALE ET DES PROCEDURES SPECIFIQUEMENT CONCUES POUR L'ETUDE DES ECOULEMENTS DES FLUIDES A SEUIL. NOUS NOUS SOMMES INTERESSES A L'ASPECT MECANIQUE DES ECOULEMENTS, EN MESURANT LES PERTES DE CHARGE EN REGIME ETABLI ET EN ETUDIANT LA CINEMATIQUE A L'AIDE DE VISUALISATIONS ET DE VELOCIMETRIE LASER. L'ETUDE DU COEFFICIENT DE FROTTEMENT EN FONCTION DU NOMBRE DE REYNOLDS GENERALISE ET DU PROFIL DES VITESSES EN CONDUITE, A MONTRE QUE LA LOI DE HERSCHEL-BULKLEY, QUI TIENT COMPTE DU SEUIL DE CONTRAINTE, ETAIT VALABLE POUR DECRIRE PARFAITEMENT LE COMPORTEMENT EN ECOULEMENT DE NOTRE FLUIDE A SEUIL MODELE. LES VISUALISATIONS NOUS ONT PERMIS ENTRE AUTRE D'ACCEDER A LA MORPHOLOGIE DES ECOULEMENTS SINGULIERS. AU VOISINAGE DU CHANGEMENT BRUSQUE DE SECTION, LE SEUIL CREE DES ZONES STATIQUES. EN ECOULEMENT DIVERGENT, LE SEUIL ET LA RHEOFLUIDIFICATION RETARDENT L'APPARITION DU TOURBILLON QUI NAIT A L'ENTREE DU DIVERGENT. DES COMPARAISONS ETABLIES AVEC LA MODELISATION NUMERIQUE DES ECOULEMENTS DE FLUIDES DE HERSCHEL-BULKLEY, MENEE EN PARALLELE AVEC L'ETUDE EXPERIMENTALE MONTRENT UN BON ACCORD. LES ROLES DE LA RHEOFLUIDIFICATION, DE L'INERTIE ET SURTOUT CELUI DU SEUIL QUI JUSQU'ICI EST ASSEZ MAL CONNU, ONT ETE IDENTIFIES, SUR LES PERTES DE CHARGE, AINSI QUE SUR LA CREATION ET L'EVOLUTION DES ZONES STATIQUES ET DES TOURBILLONS
Author: Fiacre Ahonguio
Author: Fiacre Ahonguio
Author: Hamdullah Ozogul
Author: Abdellah Maalouf
Author: Stephane Mossaz
Author: Philippe Lachamp
Author: Xavier Martin
Author: Robert Legendre
Author: PHILIPPE.. LEGALLAIS
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Author: N'Guessan Dominique Kouamela