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

Bastien Cucuel

Master's thesis (2015)

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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 tubesby fretting-wear due to the flow. Because this objects are very differents from each other, themain 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 parametersfor each category. Thus, twisted objects, elongated objects and more 3D and free-to-moveobjects will be studied.For the twisted objects, numerical simulations and physical experiments were carried out forReynolds number such as 5000 < Re < 15000. The results allowed us to define the helicityparameter and to find out that for such objects, the drag coefficient is close to the at of acylinder and doesn't depend so much on the original shape. A PIV analysis was carried outto study the flow behaviour and to verify the similarity between the numerical and experimentalflow. 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 acylinder and a strongly twisted object.For the elongated objects, a LH = 15 length to height aspect ratio will be used. For thisstudy, the drag will be either mesured in a wind tunnel or calculated thanks to numericalsimulations.Eventually, the 3D objets have been tested inside a vertical wind tunnel without using anysensor. The principle of the measure is given by the equilibrium between the drag force andthe weight. The objects were free to move inside the test section. Thus we did not consideredany 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 theobjects are turning around themselves, the objects were assimilated to spheres. Thus, thedrag coefficient of a sphere was used in order to calculate their drag force.

Résumé

La connaissance du coefficient de traînée des objets a un intérêt dans de nombreuses applicationsindustrielles. En particulier, dans les générateurs de vapeur, certains objets peuventse déposer et, entrainés par l'écoulement, endommager les tubes. Les objets présents dans cesgénérateurs pouvant être très différents, la difficulté de ce projet a été de trouver des modèlesde 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 desparamètres propres à chacune. Ainsi ont été étudiés successivement des objets à géométriehélicoïdale, des objets à géométrie allongée et enfin des objets plus neutres, libres de sedéplacer dans la soufflerie.Pour les objets hélicoïdaux, des simulations numériques ainsi que des résultats expérimentauxont permis de définir le paramètre d'hélicité, et de trouver que le coefficient detraînée pour de tels objets est proche de celui d'un cylindre et dépend peu de la géométriede base. Une analyse par Particle Image Velocimetry (PIV) a aussi été menée pour étudierle comportement du fluide, et assurer une correspondance entre l'allure de l'écoulement numériqueet expérimental. Une décomposition Proper Orthogonal Decomposition (POD) aaussi été effectuée pour visualiser les différents modes de l'écoulement. L'étude du sillagederrière ces objets a montré une similarité entre l'écoulement autour d'un cylindre et d'unobjet fortement vrillé.Concernant les objets allongés, un rapport de LH = 15 a été utilisé. Pour cette étude, latraînée 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 principede mesure est basé sur l'équilibre des forces entre le poids et la traînée. Les objets sontlibres de se déplacer au sein de la section d'essai. Pour cela nous avons envisagé l'étude ducoefficient de traînée non pas par une valeur exacte calculée via une surface déterminée, maiscomme une moyenne. Du fait de leurs mouvements, et particulièrement des rotations qu'ilseffectuent autour d'eux mêmes, les objets ont été assimilés à des sphères. Pour calculer latraînée de ces objets, le coefficient de traînée d'une sphère a ainsi été utilisé.
Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Njuki W. Mureithi
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/1951/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 01 Apr 2016 10:23
Last Modified: 08 Nov 2022 16:31
Cite in APA 7: Cucuel, B. (2015). Mise en évidence des paramètres influant sur les forces fluides et établissement de modèles empiriques de la traînée d'objets à géométrie variable [Master's thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/1951/

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