Vague primaire d’une couche de mélange eau-air : une étude numérique
Cette thèse a été préparée au sein de l’équipe MOST du LEGI, ainsi qu’au cours d’un séjour de 18 mois à l’Université Cornell (Ithaca, NY, USA).
Résumé :
L’instabilité de cisaillement se produisant à l’interface entre une couche d’eau lente et un courant d’air rapide est un phénomène complexe induit par des différences de quantité de mouvement et de viscosité à travers l’interface, de forts gradients de vitesse, et par la géométrie des injecteurs. Simuler numériquement une telle instabilité dans les conditions expérimentales est difficile et peu d’études existent dans la littérature. Ce travail a pour objectif de combler une partie de cette lacune en présentant une étude de la convergence entre simulations à deux dimensions, théorie linéaire et expériences, dans des régimes où l’instabilité est déclenchée par le confinement de l’écoulement. Un très bon accord entre les différentes approches est obtenu. De plus, via des simulations et la théorie linaire, nous explorons les effets du confinement sur la stabilité de l’écoulement et sur la transition entre régimes d’instabilité absolus et convectifs. Cette transition est trouvée comme dépendante de la longueur caractéristique du confinement et du ratio de pression dynamique. Dans le régime absolu étudié, la fréquence des vagues interfaciales est trouvée comme étant inversement proportionnelle à la plus petite taille d’injecteur (liquide ou gaz). Nous étudions ensuite la transition entre les instabilités primaires et secondaires à travers l’accélération de la vague. Nous étudions par la suite l’impact des effets tri-dimensionnels sur l’écoulement. Enfin, nous présentons le développement d’une condition de frontière ouverte pour des écoulements turbulents, multiphasiques et des simulations d’ondes de surface. Initialement pensé comme un moyen d’améliorer la précision et de diminuer les ressources informatiques nécessaires aux simulations de couches de mélange eau-air, ce travail mène à des améliorations dans l’utilisation des conditions de traction. Plus particulièrement, cette nouvelle condition aux limites couple une estimation Lagrangienne de la traction à une stabilisation aux écoulements rentrants, ce qui permet la stabilité, la précision et la non-reflectivité des frontières artificielles.
Directeur de thèse (PhD director) : Guillaume Balarac (LEGI/GINP)
Co-directeur de thèse (PhD co-director) : Olivier Desjardins (Cornell University)
Jury (committee) :
Pr Stéphane Zaleski, rapporteur
Pr Stéphane Vincent, rapporteur
Pr Jean-Philippe Matas, examinateur
Pr Eric Blayo, examinateur