Etude expérimentale du sillage et des vibrations …...M2 DET Dynamique des uides, Energétique et ransfertsT PROPOSITION DE STAGE 2017 2018 Etude expérimentale du sillage et des

M2 DET

Dynamique des �uides, Energétique et Transferts

PROPOSITION DE STAGE 2017�2018

Etude expérimentale du sillage et des vibrations d'un cylindre

�exible incliné dans un écoulement

Laboratoire

Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT)

Responsables

Rémi Bourguet ([email protected], 05 34 32 29 31)Romain Mathis ([email protected], 05 34 32 28 36)

1 Contexte général

Les structures �exibles de grand rapport de forme (grand rapport longueur/diamètre) immergées dansles écoulements sont omniprésentes dans la nature (arbres, plantes dans le vent) et dans les applicationsindustrielles (génie civil, o�shore: lignes d'amarrages, câbles divers, haubans, risers pétroliers, . . . ). Desvibrations structurales apparaissent fréquemment dans de tels systèmes physiques. Elles peuvent êtrede di�érentes natures, impliquant ou non un couplage entre le mouvement du corps et l'instationnaritéde l'écoulement. Les vibrations induites par les écoulements ont fait l'objet de nombreux travaux car:

• elles induisent une fatigue accrue des structures - on cherche donc à les prédire et à les atténuer;

• elles peuvent être utilisées pour `extraire' de l'énergie des écoulements - on cherche alors à lesexploiter dans le contexte des sources d'énergie renouvelables (énergie marine, éolien).

Dans les applications pratiques (par exemple en génie civil), les structures sont souvent inclinées dansl'écoulement. Ces con�gurations ont été peu étudiées: la forme du sillage tourbillonnaire et la naturedes vibrations apparaissant spontanément dans ce contexte restent à explorer. C'est l'objet de laprésente étude qui vise notamment à clari�er des observations antérieures réalisées sur la base desimulations numériques (�gure 1).

2 Présente étude

On considère ici un long cylindre �exible, encastré à une extrémité et immergé dans un écoulement uni-forme avec un angle d'inclinaison pouvant varier de 0◦ (axe du cylindre perpendiculaire à l'écoulementincident) à 45◦.L'objectif est de caractériser le comportement du système �uide-structure (réponses vibratoires, fréquencesdu sillage, . . . ) dans un espace paramétrique dé�ni par les propriétés de la structure (raideur notam-ment), l'angle d'inclinaison et le nombre de Reynolds (typiquement ∼ 103). On cherche en particulierà (1) tester la validité du `principe d'indépendance' qui suggère que la dynamique du système est es-sentiellement gouvernée par la composante de l'écoulement normale au cylindre et (2) analyser l'e�etde l'extrémité libre du cylindre.Cette étude expérimentale sera réalisée dans la sou�erie S2 de l'IMFT, dans laquelle plusieurs typesde mesures seront employées: mesures de la vitesse du �uide par anémométrie �l chaud, mesures du

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Figure 1: Iso-surfaces de vorticité instantanée en aval d'un cylindre �exible soumis aux vibrationsinduites par vortex à un nombre de Reynolds égal à 500: (a) cylindre incliné à 60◦ et (b) cylindrenormal à l'écoulement.Simulations numériques issues de Bourguet, Karniadakis & Triantafyllou, Journal of Fluids and Structures 53, 2015.

champ de pression à l'aide de manomètres et de microphones, mesures des vibrations du cylindre paraccélérométrie. Un e�ort plus particulier portera sur l'anémométrie �l chaud a�n de caractériser lechamp de vitesse en aval du cylindre en utilisant, d'une part, une seule sonde pour déterminer lespro�ls moyens et �uctuants ainsi que le contenu spectral du sillage, et d'autre part, deux ou plusieurssondes pour déterminer les corrélations entre di�érents points de l'écoulement et ainsi identi�er plusprécisément sa structure.

3 Compétences requises

Concernant l'approche physique du problème, des connnaissances fondamentales de mécanique des�uides (sillages tourbillonnaires, forces �uides, . . . ) seront requises. Des bases de dynamique desstructures élancées et d'interaction �uide-structure seraient également appréciées.Pour la mise en place et la réalisation des expériences en sou�erie, un sens pratique et une bonneorganisation seront nécessaires. Le pilotage des mesures se fera via Matlab - une connaissance de celogiciel serait un avantage. Des connaissances en traitement du signal seront requises pour l'exploitationdes données expérimentales.

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