Décollement mobile dans les écoulements bidimensionnels et instationnaires

Ce mémoire étudie le décollement de la couche limite, particulièrement les critères de localisation du point de décollement et le calcul de la forme du profil pour des écoulements instationnaires. Nous défendons la théorie d'un point de décollement situé en dehors de la paroi pour des écoulements où l'on ne peut pas définir une moyenne temporelle. Une première étude sur différents écoulements permet de se familiariser avec les théories de détection du décollement (appelés aussi critères de détection). Pour cela nous utilisons la solution analytique d'un écoulement généré par un cylindre en rotation et en translation au voisinage d'une paroi. La translation prend plusieurs formes (oscillation, avance rectiligne uniforme, avance couplée à une oscillation), le but étant de travailler avec plusieurs catégories d'écoulements bidimensionnels (stationnaire, instationnaire périodique...). Nous calculons (numériquement) les positions des points et la forme des profils de décollement (forme de la courbe d'éjection des particules) pour chacun des écoulements. Nous observons que lorsque le cylindre effectue une translation uniforme (et une avance oscillatoire) nous arrivons à capturer un point de décollement hors paroi. Nous recréons en laboratoire les écoulements étudiés auparavant et utilisons les données de nos expériences pour calculer les lieux et profils du décollement, nous validons ainsi la plupart de nos observations et statuons sur la présence ou non d'un point de décollement à la paroi. Nous proposons également un modèle d'évolution temporelle de ce point.

Abstract

In this work we study two types of unsteady separation in two-dimensional flows: fixed and moving separation. We support the fact that moving separation is located inside the flow and not on the wall in unsteady flows where a temporal average cannot be defined. We first apply recent theories to an analytical solution of the rotor-oscillator flow, which is a flow generated by a rotating cylinder placed parallel to a wall, thus generating a separation on the wall. Since, in addition, the cylinder can be simultaneously translated along the wall with any desired velocity profile (an oscillation, a constant translation velocity or a constant translation velocity superimposed on an oscillating movement), separation can be easily manipulated and studied under different flow conditions (steady, periodic, etc.). For each case, the location of separation as well as the shape of the separation profile are estimated. We observe that for non-periodic cases, the separation point is indeed off the wall without any connection to on-wall quantities. An experimental setup is used to complete these observations through PIV velocity measurements. Results confirm previous findings and a method to obtain the separation point and profile is proposed when the flow is periodic in the reference frame moving with the cylinder.