Courants de gravité

Pages: 118 (29409 mots) Publié le: 13 mai 2011
Thèse présentée pour obtenir le titre de Docteur de l’Institut National Polytechnique de Toulouse Spécialité : Dynamique des Fluides

Mélange gravitationnel de fluides en géométrie confinée

Yannick HALLEZ

Soutenance le 10 décembre 2007 devant le jury composé de :

MM. Jacques MAGNAUDET Directeur des travaux de recherche Jean-Pierre HULIN Fabien GODEFERD Emil HOPFINGER John HINCH OlivierEIFF Rapporteur Rapporteur Membre Membre Membre

N° d’ordre : 2566

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Résumé
Ce travail basé sur la simulation numérique directe porte sur le mélange en géométrie confinée de deux fluides miscibles de densités différentes. Le mouvement des fluides est induit par la gravité. Différentes géométries sont étudiées : un tube cylindrique, un canal de section carrée et un écoulement purementbidimensionnel. Les simulations numériques confirment pleinement les résultats expérimentaux de Séon et al. en tube cylindrique, avec notamment la mise en évidence de trois régimes différents suivant l’inclinaison du tube. La comparaison des géométries montre que les écoulements tridimensionnels en tube et en canal inclinés présentent des comportements similaires tandis que le « modèle » bidimensionnel estincapable de donner des informations pertinentes sur un écoulement réel tridimensionnel tant au niveau quantitatif qu’au niveau phénoménologique. Une attention particulière est portée à l’analyse conjointe du champ de concentration et de la dynamique tourbillonnaire sous-jacente qui permet d’expliquer plusieurs aspects subtils de la dynamique du mélange.

Abstract
The present work based onDirect Numerical Simulations is devoted to the study of mixing between two miscible fluids of different densities. The movement of these fluids is induced by buoyancy. Three geometries are considered : a cylindrical tube, a square channel and a plane two-dimensional flow. For cylindrical tubes, the results of numerical simulations fully confirm previous experimental findings by Séon et al., especiallyregarding the existence of three different flow regimes, depending on the tilt angle. The comparison of the various geometries shows that tridimensional flows in tubes or channels are similar, whereas the two-dimensional model fails to give reliable information about real 3D flows, either from a quantitative point of view or for a phenomenological understanding. A peculiar attention is put on a jointanalysis of the concentration and vorticity fields and allows us to explain several subtle aspects of the mixing dynamics.

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Remerciements
Ce travail de thèse a été réalisé au sein du groupe INTERFACE de l’IMFT dans le cadre d’une bourse du ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche, en parallèle avec un monitorat puis un poste d’ATER à l’ENSEEIHT. Je souhaite doncremercier les personnes qui m’ont fait confiance en m’accueillant dans ces différentes entités, ainsi que les enseignants(chercheurs) de l’ENSEEIHT qui m’ont transmis un peu de leur expérience. Je remercie Messieurs Emil Hopfinger, John Hinch et Olivier Eiff d’avoir accepté de juger mon travail de thèse. Je remercie plus particulièrement Messieurs Fabien Godeferd et Jean-Pierre Hulin d’avoir accepté lafastidieuse tâche de rapporter sur ce mémoire. Je remercie aussi tous les personnels de l’IMFT qui m’ont permis de me concentrer sur ce travail de recherche en réglant les inévitables petits problèmes de tous les jours : MarieHélène Manzato du côté administratif, Gilles Martin pour l’informatique et Muriel Sabater pour l’impression de ce document. Merci aussi aux membres du groupe INTERFACE pour lesconseils scientifiques et les discussions autour du café. Je remercie François Charru et Particia Ern pour les livres offerts, Frédéric Risso et David Fabre pour avoir organisé les "séminaires interface du jeudi" qui permettent si bien d’ôter un peu nos œillères de doctorants et Dominique Legendre pour m’avoir fait découvrir JADIM et le monde des petites bulles. J’ai une pensée particulière pour la...
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