Flow-Induced Vibrations of In-Line Cylinder Arrangements at Low Reynolds Numbers

Les vibrations induites par sillage (Wake-Induced Vibration ou WIV en anglais) est un type d'interactions fluide-structure qui peut se produire quand deux corps ou plus, montés élastiquement, sont disposés l'un derrière l'autre dans un écoulement transverse. Dans cette configuration, le corps situé en aval est soumis non seulement à son propre lâcher tourbillonnaire mais également à celui généré par le cylindre amont. Par conséquent, le corps aval peut osciller fortement avec des amplitudes maximales pouvant atteindre A/D=10 (Paidaussis et al. (2011)). Les WIV sont encore mal connues. Même un leader mondial en classification dans le domaine de l'ingénierie offshore ne sait pas comment traiter les phénomènes d'interférences entre plusieurs colonnes montantes avec WIV (Det Norske Veritas (2009)). La plus part des études effectuées considèrent simplement une configuration en tandem d'une paire de cylindres. Peu d'études ont été réalisées avec plus de deux corps montés élastiquement. En 2009, Etienne at al. ont considéré 3 cylindres arrangés en ligne dans un écoulement uniforme. Pour un nombre de Reynolds de 200 et une vitesse réduite de 8, ils ont montré par simulation numérique que les cylindres pouvaient subir de fortes oscillations. En 2013,Oviedo-Tolentino et al. ont étudié expérimentalement les oscillations de 10 cylindres placés les uns derrière les autres pour un facteur de masse amortissement de m¤³ = 0.13. Ils ont confirmé que le troisième cylindre, c'est-à-dire celui placé derrière les deux premiers, peut subir des oscillations transverses plus importantes encore que celles subies par le deuxième cylindre. Ces grandes oscillations peuvent non seulement causer une fatigue excessive des matériaux mais également provoquer des collisions entre les cylindres. Ainsi, les WIV peuvent poser de sérieux problèmes lors de la conception de nombreux systèmes en ingénierie. À la lumière de ces études récentes, il est donc nécessaire d'approfondir l'étude des comportements de plusieurs corps placés les uns derrière les autres dans un écoulement transverse et montés élastiquement. Mise à part les fortes oscillations observées, de nombreux aspects des WIV de plusieurs cylindres en ligne restent très mal connus : les réponses fréquentielles et les amplitudes maximales produites, l'influence du nombre de Reynolds de l'écoulement, les effets dus à des ratios de masse ou des facteurs de masse amortissement faibles, etc. Cette thèse vise à explorer numériquement les réponses d'oscillations induites par sillage de 3 cylindres circulaires disposés en ligne et ayant un nombre de masse faible et un amortissement nul pour de faibles nombres de Reynolds. Pour atteindre cet objectif de recherche, on procède en trois étapes.