L'étude de la transition à l'état chaotique de fluides d'Herschel-Bulkley en écoulement de Taylor-Couette PDF Download
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Author: Valentin Jacob Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
Book Description
Les fluides à seuil sont des fluides non-newtoniens, complexes ou structurés. Ils sont communément rencontrés dans de nombreuses applications industrielles utilisant leurs caractéristiques et leurs propriétés physiques exceptionnelles (plastifiants, stabilisateurs, épaississants,...). Ainsi de nombreux excipients de l'industrie pharmaceutique sont de tels fluides. La plupart des fluides corporels en font partie, le sang notamment. L'étude de leur comportement et de leur écoulement est une problématique transverse dont découlent de très nombreuses applications. Osborne Reynolds a observé au XlXème siècle que lorsque l'on augmente la vitesse d'écoulement d'eau en conduite, on passe du régime laminaire (écoulement ordonné) au régime turbulent (écoulement désordonné, chaotique). Ce phénomène est lié à la fois aux propriétés intrinsèques du fluide ainsi qu'à la géométrie du système. La survenue de l'état chaotique bouleverse l'écoulement. Ainsi une prédiction du changement de régime est une donnée primordiale en génie chimique mais aussi dans toute application dans lesquelles les fluides sont transportés et/ou mis en agitation (mise en suspension de poudres, ...). Les écoulements turbulents sont fréquemment rencontrés dans l'industrie, ceux-ci correspondent à des écoulements à grande vitesse répondant aux contraintes de productivité industrielle. Ils peuvent également être privilégiés dans des procédés industriels puisqu'ils permettent un meilleur transfert de chaleur et de matière. Par contre, en présence de produits fragiles, l'écoulement laminaire peut être privilégié en vue de préserver leur intégrité, d'où l'intérêt de mieux comprendre le passage d'un régime d'écoulement à l'autre. De plus, les fluides non newtoniens ou complexes sont souvent très visqueux et les mettre en oeuvre en régime turbulent supposerait une énergie trop élevée et serait trop coûteux. Afin d'étudier la survenue de cet état chaotique, une étude expérimentale a été effectuée, et un programme simulant de tels écoulements, basé sur la loi d'Herschel-Bulkley a été réalisé. Il permet de déterminer les conditions d'apparitions de tourbillons de Taylor, qui constituent la première étape vers l'apparition de la turbulence. A travers ces travaux, il a été mis en évidence le caractère stabilisant du seuil sur l'écoulement. Il a également été observé que le nombre d'onde croit avec le seuil et avec le caractère rhéofluidifiant du fluide.
Author: Valentin Jacob Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Les fluides à seuil sont des fluides non-newtoniens, complexes ou structurés. Ils sont communément rencontrés dans de nombreuses applications industrielles utilisant leurs caractéristiques et leurs propriétés physiques exceptionnelles (plastifiants, stabilisateurs, épaississants,...). Ainsi de nombreux excipients de l'industrie pharmaceutique sont de tels fluides. La plupart des fluides corporels en font partie, le sang notamment. L'étude de leur comportement et de leur écoulement est une problématique transverse dont découlent de très nombreuses applications. Osborne Reynolds a observé au XlXème siècle que lorsque l'on augmente la vitesse d'écoulement d'eau en conduite, on passe du régime laminaire (écoulement ordonné) au régime turbulent (écoulement désordonné, chaotique). Ce phénomène est lié à la fois aux propriétés intrinsèques du fluide ainsi qu'à la géométrie du système. La survenue de l'état chaotique bouleverse l'écoulement. Ainsi une prédiction du changement de régime est une donnée primordiale en génie chimique mais aussi dans toute application dans lesquelles les fluides sont transportés et/ou mis en agitation (mise en suspension de poudres, ...). Les écoulements turbulents sont fréquemment rencontrés dans l'industrie, ceux-ci correspondent à des écoulements à grande vitesse répondant aux contraintes de productivité industrielle. Ils peuvent également être privilégiés dans des procédés industriels puisqu'ils permettent un meilleur transfert de chaleur et de matière. Par contre, en présence de produits fragiles, l'écoulement laminaire peut être privilégié en vue de préserver leur intégrité, d'où l'intérêt de mieux comprendre le passage d'un régime d'écoulement à l'autre. De plus, les fluides non newtoniens ou complexes sont souvent très visqueux et les mettre en oeuvre en régime turbulent supposerait une énergie trop élevée et serait trop coûteux. Afin d'étudier la survenue de cet état chaotique, une étude expérimentale a été effectuée, et un programme simulant de tels écoulements, basé sur la loi d'Herschel-Bulkley a été réalisé. Il permet de déterminer les conditions d'apparitions de tourbillons de Taylor, qui constituent la première étape vers l'apparition de la turbulence. A travers ces travaux, il a été mis en évidence le caractère stabilisant du seuil sur l'écoulement. Il a également été observé que le nombre d'onde croit avec le seuil et avec le caractère rhéofluidifiant du fluide.
Author: Yao Agbessi Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Quand on augmente le nombre de Reynolds d'un écoulement, il passe progressivement d'un état ordonné, laminaire, à un état chaotique, turbulent. Lors de cette transition, on voit apparaître des structures hydrodynamiques ordonnées qui se désordonnent sous l'effet de déstabilisations successives. Ces structures peuvent poser problème lorsqu'on souhaite par exemple homogénéiser des suspensions car des particules peuvent s'y retrouver piégées et générer des zones sur ou sous-concentrées. La plupart des fluides naturels et industriels sont non newtoniens. Pour mieux comprendre et contrôler l'apparition des structures hydrodynamiques dans de tels fluides, nous nous sommes intéressés dans le cadre de cette thèse, aux mécanismes d'instabilités gouvernant la transition vers la turbulence de fluides complexes dans la configuration simplifiée de Taylor-Couette. Dans un premier volet théorique et numérique, les concepts d'instabilités hydrodynamiques ont été appliqués à l'écoulement de Taylor-Couette pour trois modèles rhéologiques : la loi de puissance, le modèle de Carreau et le modèle de Bingham. Deux rapports de rayons et différentes vitesses de rotation des deux cylindres ont été considérés. La déstabilisation de l'écoulement de Couette circulaire a été étudiée pour prédire l'apparition de structures telles que les rouleaux de Taylor-Couette aux temps longs. Une analyse aux temps courts a également été effectuée pour étudier les phénomènes de croissance transitoire dans l'écoulement. Dans un second volet expérimental, un dispositif de Taylor-Couette en plexiglas a été élaboré. Dans un premier temps, des mesures de couple avec un fluide newtonien (glycérol) ont été réalisées et comparées avec succès avec les résultats de la littérature. Des mesures rhéométriques ont ensuite été réalisées pour choisir des fluides répondant aux lois rhéologiques utilisées dans le volet théorique. Des visualisations ont été effectuées pour détecter l'apparition des instabilités et les conditions critiques ont été comparées aux prédictions de l'analyse linéaire de stabilité. Des mesures de vélocimétrie par image de particules (PIV) ont été aussi effectuées pour déterminer les champs de vitesse de l'écoulement. Ces différentes études ont permis de mettre en évidence le caractère sous-critique et l'apparition d'un écoulement chaotique engendrés par le caractère rhéofluidifiant des fluides.
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Cette thèse est organisée en deux parties. Après une brève introduction théorique (chapitre 1) et une discussion présentant la soufflerie du LEGI et des techniques expérimentales utilisées (chapitre 2), une première partie étudie les effets individuels des particules dans les écoulements tantôt laminaires et turbulents. Dans une seconde partie je me suis intéressé aux effets collectifs d'une population dense d'inclusions en interaction avec un champ turbulent.Dans le chapitre 3, nous montrons que l'équilibre d'un disque pendulaire faisant face à un écoulement présentant une vitesse moyenne présente un comportement bi-stable et hystérétique. Nous donnons une interprétation simple de ce comportement en termes d'une description par deux puits de potentiel, nécessitant uniquement de connaître la dépendance angulaire du coefficient de trainée normale d'une plaque statique inclinée. Nous étudions l'influence de la turbulence sur l'équilibre du pendule en général et sur la bi-stabilité observée en particulier.La dynamique des objets tractés dans un environnement fluide est d'intérêt pour de nombreuses situations pratiques. Les chapitres 4,5 et 6 concernent l'étude expérimentale de l'équilibre et de la stabilité de la trajectoire d'une sphère tractée à vitesse constante. Dans le chapitre 4, nous avons vu que le sillage d'une sphère peut produire un mouvement hélicoïdal d'une sphère remorqué par un fil. Nous avons constaté qu'il existe un nombre de Reynolds (défini avec le diamètre de la particule et la vitesse moyenne de l'écoulement) particulier pour activer cette motion instable. Une trajectoire en trois dimensions est reconstruite avec un dispositif expérimental extrêmement simple, utilisé pour la caractérisation de la forme de la trajectoire des particules. Dans le chapitre 5, nous étudions expérimentalement l'équilibre et la stabilité de la trajectoire d'une sphère remorqué à une vitesse constante dans la avec un rapport longueur - diamètre sans précédent. En ce chapitre, nous étudions les instabilités développées dans le fil pour un écoulement laminaire. Diffèrent types d'instabilités ont été trouvés dans cette expérience. Dans le chapitre 6, le même système est étudié, mais l'écoulement environnant est turbulent. Nous nous concentrons sur la comparaison entre la dynamique turbulente de la sphère tractée et d'une sphère librement advectèe. Nos résultats sont en accord avec un scénario de filtrage résultant du temps de réponse visqueuse d'une particule d'inertie dont la dynamique est couplée au fluide environnant par la force de traînée. Une caractéristique frappante des écoulements turbulents chargés de particules inertielles est la concentration préférentielle qui conduit à de très fortes hétérogénéités du champ de concentration en particules à différentes échelles. Les diagrammes de Voronoi ont été utilisés pour caractériser quantifier ce phénomène.En ce qui concerne les effets collectifs, trois écoulements différents ont été étudiés : bulles d'air (particules moins denses que le fluide, avec une taille de l'ordre de l ́échelle de Kolmogorov) dans un canal a eau (chapitre 7), des particules solides légèrement plus denses que le fluide et diamètre supérieur à l ́échelle de Kolmogorov dans une écoulement de von Kármán (chapitre 8) et gouttelettes d'eau dans la soufflerie (chapitre 9) ; de particules beaucoup plus denses que le fluide et diamètre inférieur à l'échelle de Kolmogorov. Enfin, nous proposons une nouvelle méthode de reconstruction des champs de concentration des particules dans les expériences par analogie avec le fonctionnement des caméras linéaire, et en exploitant l'hypothèse de Taylor dans la soufflerie. Cette nouvelle approche nous permet de reconstruire des champs de particules de plusieurs mètres de long. Ces champs permettent d'analyser la formation des superclusters. Nous montrons en effet que les clusters tendent eux-mêmes à s'organiser en superclusters (amas d'amas).
Author: Giorgio Krstulovic Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 168
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Cette thèse regroupe des études portant sur la dynamique de relaxation de différents systèmes conservatifs ayant tous une troncature de Galerkin sur les modes de Fourier. On montre que, de façon très générale, ces systèmes relaxent lentement vers l'équilibre thermodynamique avec une thermalisation partielle à petite échelle qui induit une dissipation effective à grande échelle, tout en conservant les invariants globaux. La première partie de ce travail est consacrée à l'étude de la viscosité effective dans l'équation d'Euler incompressible tronquée. L'utilisation des méthodes de Monte-Carlo et de la théorie EDQNM permet la construction d'un modèle à deux fluides de ce système. Cette étude est ensuite généralisée au cas des écoulements hélicitaires. La dynamique de relaxation des écoulements décrits par les équations de la magnétohydrodynamique et des fluides compressibles tronqués est finalement caractérisée. Dans une deuxième partie, nous généralisons l'étude de la thermalisation au cas de l'équation de G.
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L'INSTABILITE CENTRIFUGE DE TAYLOR-DEAN APPARAIT DANS L'ECOULEMENT D'UN FLUIDE NEWTONIEN ENTRE DEUX CYLINDRES COAXIAUX EN ROTATION ET EN POSITION HORIZONTALE AVEC UN GRADIENT LONGITUDINAL DE PRESSION. LE SYSTEME DE TAYLOR-DEAN EST CARACTERISE PAR UN ESPACE A DEUX PARAMETRES DE CONTROLE: LE NOMBRE DE TAYLOR ET LE TAUX DE ROTATION DES CYLINDRES. L'APPLICATION DU CRITERE DE STABILITE DE RAYLEIGH MONTRE QUE L'ESPACE ANNULAIRE ENTRE LES DEUX CYLINDRES PEUT CONTENIR DEUX ZONES INSTABLES DANS LESQUELLES LES INSTABILITES DE TAYLOR-COUETTE ET DE DEAN PEUVENT SE DEVELOPPER. LA THEORIE DE STABILITE LINEAIRE DONNE DES COURBES DE STABILITE MARGINALE DONT LA TOPOLOGIE DEPEND DU TAUX DE ROTATION DES CYLINDRES. AU SEUIL DE L'INSTABILITE, LES ETATS PEUVENT APPARAITRE SOUS FORME DE MODES STATIONNAIRES OU OSCILLANTS SELON LA VALEUR DU TAUX DE ROTATION. LE CALCUL DE L'EQUATION D'AMPLITUDE POUR LES MODES STATIONNAIRES MONTRE QU'IL EXISTE UN POINT TRICRITIQUE AU VOISINAGE DUQUEL LA CONSTANTE DE LANDAU CHANGE DE SIGNE. L'ETUDE EXPERIMENTALE A ABOUTI A UN DIAGRAMME D'ETATS COMPORTANT 5 BRANCHES DISTINCTES: 3 BRANCHES DES ROULEAUX STATIONNAIRES AXISYMETRIQUES ET DEUX BRANCHES DE ROULEAUX PROPAGATIFS INCLINES. LES ROULEAUX PROPAGATIFS INCLINES SE DESTABILISENT PAR UNE MODULATION SPATIO-TEMPORELLE DE COURTE LONGUEUR D'ONDE ET DE FREQUENCE TRES INFERIEURE A LA FONDAMENTALE. LES ROULEAUX AXISYMETRIQUES STATIONNAIRES DEVIENNENT OSCILLANTS ET DONNENT LIEU A DES ROULEAUX PROPAGATIFS INCLINES OU A DES ETATS MIXTES. LA TRANSITION VERS LE CHAOS S'EFFECTUE PAR LA GENERATION DE DEFAUTS SPATIO-TEMPORELS ET LA REDUCTION DE LA TAILLE DES DOMAINES NON CHAOTIQUES DANS LE DIAGRAMME SPATIO-TEMPOREL
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CETTE THESE CONCERNE L'ETUDE EXPERIMENTALE DE LA TRANSITION VERS LA TURBULENCE DANS LE CAS DE L'ECOULEMENT DE COUETTE PLAN. CET ECOULEMENT EST LINEAIREMENT STABLE POUR TOUT NOMBRE DE REYNOLDS ET, LORSQU'IL EST PERTURBE, UNE COEXISTENCE ENTRE L'ETAT LAMINAIRE ET L'ETAT TURBULENT PEUT ETRE OBSERVEE. NOUS MONTRONS A L'AIDE D'UNE PERTURBATION LOCALISEE ET PERMANENTE -UN FIL PERPENDICULAIRE A L'ECOULEMENT- QUE LES STRUCTURES COHERENTES DE ROULEAUX LONGITUDINAUX CONTRA-ROTATIFS PRESENTES AUTOUR DU FIL SONT IDENTIQUES A CELLES OBSERVEES EN BORDURE DE SPOTS, ET QUE CE SONT DES SOLUTIONS D'AMPLITUDES FINIES DANS LA LIMITE DE L'ECOULEMENT DE COUETTE PLAN NON MODIFIE. UN GEL SPATIAL DE LA DYNAMIQUE DE CES ROULEAUX A ETE REALISE A L'AIDE D'UN PETIT OBSTACLE -UNE PERLE- INSTALLE AU CENTRE DE L'ECOULEMENT. LE COMPORTEMENT INTERMITTENT OBSERVE EST REVELATEUR D'UNE DYNAMIQUE SOUS-JACENTE DE CHAOS SPATIO-TEMPOREL POUR LE SYSTEME NON PERTURBE. POUR ETUDIER LA TRANSITION, NOUS UTILISONS DES PERTURBATIONS INSTANTANEES D'AMPLITUDE VARIABLE ET DES TREMPES EN R. NOUS OBSERVONS UN REGIME D'INTERMITTENCE SPATIO-TEMPORELLE (IST) ET CARACTERISONS UN NOMBRE DE REYNOLDS CRITIQUE, R#C, AU DESSUS DUQUEL L'IST EST PERSISTANTE ET LA FRACTION TURBULENTE MOYENNE BIEN DEFINIE CROIT AVEC R. UN ATTRACTEUR TURBULENT UNIQUE COEXISTE AVEC L'ECOULEMENT LAMINAIRE, ET UNE DEFINITION PROPRE D'UNE COURBE D'AMPLITUDE CRITIQUE EST DONNEE. EN DESSOUS DE R#C, IL EXISTE DES TRANSITOIRES LONGS QUI RELAXENT VERS L'ETAT LAMINAIRE ; L'ATTRACTEUR EST TRANSFORME EN UN REPULSEUR CHAOTIQUE. CETTE ETUDE A ETE ENTREPRISE D'UN POINT DE VUE STATISTIQUE ET GUIDEE PAR L'ETUDE PARALLELE D'UN MODELE NUMERIQUE SIMPLE DE RESEAU D'ITERATIONS COUPLES POUR L'IST. CETTE TRANSITION VERS L'IST EST IDENTIFIEE COMME DISCONTINUE.
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CETTE THESE EST CONSACREE A L'ETUDE EXPERIMENTALE ET THEORIQUE DE L'ECOULEMENT DE TAYLOR-COUETTE EN PRESENCE D'UNE STRATIFICATION AXIALE STABLE. UNE ANALYSE DE STABILITE LINEAIRE PREDIT LE CARACTERE OSCILLATOIRE DU SEUIL D'INSTABILITE. LES VISUALISATIONS MONTRENT QUE LE PREMIER REGIME INSTABLE EST UN REGIME D'ONDES STATIONNAIRES AXISYMETRIQUES. UN MODELE THEORIQUE BASE SUR L'EXISTENCE D'ONDES INTERNES CONFINEES EST EN BON ACCORD AVEC LES MESURES DES FLUCTUATIONS TEMPORELLES DE DENSITE DANS CE REGIME. LE SECOND REGIME EST UN REGIME DE VORTEX NON-AXISYMETRIQUES DONT LA TAILLE VERTICALE EST DIMINUEE PAR LA STRATIFICATION, LES VORTEX ETANT PRESENTS PAR PAIRES A UNE MEME HAUTEUR ET TOURNANT A LA VITESSE MOYENNE DANS L'ENTREFER. LA TRANSITION ENTRE LE REGIME DES ONDES ET CELUI DE VORTEX PRESENTE DE L'HYSTERESIS. UN DIAGRAMME DES BIFURCATIONS DU SYSTEME POUR LES DEUX PREMIERS REGIMES EST ALORS PROPOSE. DANS LE REGIME SUIVANT, NOUS AVONS NOTE LA COEXISTENCE DE STRUCTURES STATIONNAIRES ET DE DEFAUTS. ENFIN NOUS NOUS SOMMES INTERESSES A UN REGIME PRESENTANT DES CELLULES RESSEMBLANT A DES VORTEX DE TAYLOR, MAIS COUPLES PAR PAIRES. CES DEUX REGIMES PRESENTENT DES SPECTRES FAIBLEMENT TURBULENTS. ENFIN, UNE ETUDE DU TRANSPORT D'UN TRACEUR PASSIF DANS LES DIFFERENTS REGIMES A ETE REALISEE, METTANT EN EVIDENCE L'EXISTENCE DE REGIMES DE DIFFUSION ANORMALE AU TEMPS COURTS. AU TEMPS LONGS, UNE DIFFUSION NORMALE EST OBTENUE, LE COEFFICIENT DE DIFFUSION EFFECTIF AUGMENTANT DE FACON QUADRATIQUE AVEC LE TAUX DE ROTATION DU CYLINDRE INTERIEUR.
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CETTE THESE S'INTERESSE A L'ETUDE EXPERIMENTALE DE LA DESTABILISATION PAR DES PERTURBATIONS D'AMPLITUDE FINIE DE L'ECOULEMENT DE COUETTE PLAN, LINEAIREMENT STABLE POUR TOUTE VALEUR DU NOMBRE DE REYNOLDS. DEUX FAMILLES DE PERTURBATIONS LOCALISEES SONT IMPOSEES A L'ECOULEMENT. LA PREMIERE, INSTANTANEE, EST APPORTEE PAR UN JET TRANSVERSE ET LA SECONDE, PERMANENTE, EST OBTENUE PAR L'INTRODUCTION D'UN FIL DANS LE PLAN CENTRAL DE L'ECOULEMENT. DANS LE CAS OU LA PERTURBATION EST INSTANTANNEE, NOUS METTONS EN EVIDENCE UNE AMPLITUDE CRITIQUE DE PERTURBATION ET SA DEPENDANCE SELON LE NOMBRE DE REYNOLDS, AINSI QU'UNE VALEUR SEUIL DE CE DERNIER SOUS LAQUELLE AUCUNE PERTURBATION NE PEUT MODIFIER L'ECOULEMENT DE FACON DURABLE. LORSQUE LA PERTURBATION EST EFFICACE, UN SPOT TURBULENT, DONT NOUS ANALYSONS LES MECANISMES DE CROISSANCE, SE DEVELOPPE. DANS LE CAS OU LA PERTURBATION EST PERMANENTE, NOUS OBSERVONS LA FORMATION DE VORTEX LONGITUDINAUX, QUE NOUS CARACTERISONS. UN MECANISME DE FORMATION DE CES VORTEX EST PROPOSE. NOUS ETUDIONS AUSSI LES ETATS ASYMPTOTIQUES AUXQUELLES CONDUISENT CES PERTURBATIONS, LORSQUE LE NOMBRE DE REYNOLDS AUTORISE LE DEVELOPPEMENT DE TURBULENCE. INDEPENDANTS DU MODE DE PERTURBATION CHOISI, ILS SE CARACTERISENT PAR LA COEXISTENCE DE DOMAINES LAMINAIRES ET TURBULENTS. ENFIN NOUS DISCUTONS D'UNE PART DES MECANISMES DE TRANSITIONS VERS LA TURBULENCE, D'AUTRE PART DE LA MODELISATION DES ETATS ASYMPTOTIQUES. C'EST POUR NOUS L'OCCASION DE MONTRER LE CARACTERE NECESSAIREMENT NON LINEAIRE DE LA TRANSITION, ET DE TESTER LA POSSIBILITE D'UNE DESCRIPTION EN TERME D'INTERMITTENCE SPATIOTEMPORELLE
Author: Valentin Jacob
Author: Valentin Jacob
Author: Yao Agbessi
Author: Martín Obligado
Author: Giorgio Krstulovic
Author: Innocent Mutabazi
Author: Ahcène Bouabdallah (auteur d'une thèse de sciences.)
Author: SABINE.. BOTTIN
Author: FRANCOIS.. CATON
Author: OLIVIER.. DAUCHOT
Author: Odette Beaudry