Mise en évidence des paramètres influant sur les forces fluides et établissement de modèles empiriques de la traînée d'objets à géométrie variable

La connaissance du coefficient de traînée des objets a un intérêt dans de nombreuses applications industrielles. En particulier, dans les générateurs de vapeur, certains objets peuvent se déposer et, entrainés par l'écoulement, endommager les tubes. Les objets présents dans ces générateurs pouvant être très différents, la difficulté de ce projet a été de trouver des modèles de prédiction du coefficient de traînée pour un panel très varié de formes. Séparer en différentes catégories l'ensemble des objets étudiés a permis de créer des paramètres propres à chacune. Ainsi ont été étudiés successivement des objets à géométrie hélicoïdale, des objets à géométrie allongée et enfin des objets plus neutres, libres de se déplacer dans la soufflerie. Pour les objets hélicoïdaux, des simulations numériques ainsi que des résultats expérimentaux ont permis de définir le paramètre d'hélicité, et de trouver que le coefficient de traînée pour de tels objets est proche de celui d'un cylindre et dépend peu de la géométrie de base. Une analyse par Particle Image Velocimetry (PIV) a aussi été menée pour étudier le comportement du fluide, et assurer une correspondance entre l'allure de l'écoulement numérique et expérimental. Une décomposition Proper Orthogonal Decomposition (POD) a aussi été effectuée pour visualiser les différents modes de l'écoulement. L'étude du sillage derrière ces objets a montré une similarité entre l'écoulement autour d'un cylindre et d'un objet fortement vrillé. Concernant les objets allongés, un rapport de L H = 15 a été utilisé. Pour cette étude, la traînée a été obtenue par des tests en soufflerie et des simulations numériques. Enfin les objets 3D ont été testés dans une soufflerie verticale sans capteur. Le principe de mesure est basé sur l'équilibre des forces entre le poids et la traînée. Les objets sont libres de se déplacer au sein de la section d'essai. Pour cela nous avons envisagé l'étude du coefficient de traînée non pas par une valeur exacte calculée via une surface déterminée, mais comme une moyenne. Du fait de leurs mouvements, et particulièrement des rotations qu'ils effectuent autour d'eux mêmes, les objets ont été assimilés à des sphères. Pour calculer la traînée de ces objets, le coefficient de traînée d'une sphère a ainsi été utilisé.

Abstract

Knowledge of the drag coefficient is used in many industrial applications. For instance, in the nuclear industry, some objects can get stuck inside steam generators and damage tubes by fretting-wear due to the flow. Because this objects are very differents from each other, the main difficulty of this project will be to find correlations for very different shapes of objets. Distinguishing different groups among the studied objects, it is possible to establish parameters for each category. Thus, twisted objects, elongated objects and more 3D and free-to-move objects will be studied. For the twisted objects, numerical simulations and physical experiments were carried out for Reynolds number such as 5000 < Re < 15000. The results allowed us to define the helicity parameter and to find out that for such objects, the drag coefficient is close to the at of a cylinder and doesn't depend so much on the original shape. A PIV analysis was carried out to study the flow behaviour and to verify the similarity between the numerical and experimental flow. A POD analysis was also performed to visualize the different modes of the flow. Study of the wake behind these objects has shown a similarity between the flow around a cylinder and a strongly twisted object. For the elongated objects, a L H = 15 length to height aspect ratio will be used. For this study, the drag will be either mesured in a wind tunnel or calculated thanks to numerical simulations. Eventually, the 3D objets have been tested inside a vertical wind tunnel without using any sensor. The principle of the measure is given by the equilibrium between the drag force and the weight. The objects were free to move inside the test section. Thus we did not considered any more the drag coefficient as an exact value calculated from a well defined area, but as an average value. Because of their movements and particularly of the fact that the objects are turning around themselves, the objects were assimilated to spheres. Thus, the drag coefficient of a sphere was used in order to calculate their drag force.