Profil NACA0015 soumis à un écoulement à bulles : influence du confinement et du taux de vide

Cette thèse porte sur l’analyse expérimentale et la modélisation des effets du confinement et du taux de vide sur les efforts hydrodynamiques appliqués à un profil symétrique NACA0015 en écoulement diphasique air-eau. L’étude est motivée par les besoins croissants en compré-hension des phénomènes d’interaction fluide-structure dans des conditions réalistes, où les effets de paroi et l’injection de bulles modifient profondément les champs de pression et de vitesse. Les essais expérimentaux ont été réalisés dans deux veines d’essai de sections carrées de dimensions 0.15 m et 0.25 m, avec des profils de corde 0.15 m et 0.25 m, placés soit horizon-talement, soit verticalement. Les angles d’attaque testés étaient α = −10o, −5o, 0o, 5o, 10o, avec des vitesses d’écoulement allant de 2 m/s à 9 m/s. Des injections d’air ont été réalisées pour obtenir des titres volumiques β = 0, 0.01, 0.02, 0.03 et des mesures des coefficients de portance ont été effectuées pour chaque condition. Le nombre de Reynolds correspondant varie entre 3.0 × 105 et 1.35 × 106. Trois axes de recherche sont explorés. Tout d’abord, une étude approfondie du confinement est menée à travers une formulation analytique basée sur la théorie de la couche limite, me-nant à une expression adimensionnelle du coefficient de portance dépendant du paramètre σ, représentatif de l’intensité du blocage. Cette formulation est confrontée aux modèles clas-siques (Goldstein, Vincenti–Maskell–Elfmark), et démontre une précision équivalente, voire parfois supérieure dans les régimes de fort confinement, tout en offrant l’avantage de ne pas nécessiter d’ajustement paramétrique. Ensuite, l’effet du taux de vide β est investigué sur les coefficients de portance CL(α). Une campagne expérimentale incluant plus de 80 cas distincts est conduite pour différents couples corde-veine et vitesses d’écoulement. Les résultats montrent une corrélation claire entre la réduction de la pente CL(α) et la valeur de β. Une expression corrélative en fonction de β, Re et σ est proposée. Enfin, un modèle de prédiction de la distribution du nuage de bulles est développé à partir de l’équation de Morison, enrichie par un terme de gradient de pression issu du sillage du profil. Ce modèle permet de reproduire avec fidélité les mesures expérimentales obtenues par sonde optique, révélant l’influence significative du sillage sur la trajectoire des bulles. En résumé, cette thèse propose une approche complète et originale du comportement hydro-dynamique en milieu diphasique confiné. Les modèles développés permettent une meilleure prédiction des efforts fluides dans des conditions réalistes, et ouvrent des perspectives pour la modélisation multiphysique et la conception d’outils de réduction de portance. Par ailleurs, l’étude approfondie de la dynamique des bulles en présence du profil a permis de relier les variations locales du champ de pression, dues au sillage et au gradient longitudinal, aux structures observées expérimentalement dans le nuage diphasique. Ces résultats mettent en lumière l’importance de l’interaction fluide-structure-bulle dans l’analyse des écoulements confinés.

Abstract

This thesis focuses on the experimental analysis and modeling of the effects of confinement and void fraction on the hydrodynamic forces acting on a symmetric NACA0015 profile in air-water two-phase flow. The study is motivated by the increasing need to understand fluid–structure interaction phenomena under realistic conditions, where wall effects and bub-ble injection significantly alter pressure and velocity fields. Experimental tests were conducted in two square-section test channels with cross-sectional dimensions of 0.15 m and 0.25 m, using airfoil models with chords of 0.15 m and 0.25 m, placed either horizontally or vertically. The tested angles of attack were α = −10o, −5o, 0o, 5o, 10o, with flow velocities ranging from 2 m/s to 9 m/s. Air injections were performed to reach volumetric void fractions of β = 0, 0.01, 0.02, 0.03, and lift coefficients were measured for each condition. The corresponding Reynolds number varied between 3.0 × 105 and 1.35 × 106. Three research axes are explored. First, an in-depth study of confinement is conducted through an analytical formulation based on boundary layer theory, leading to a dimension-less expression of the lift coefficient depending on the parameter σ, which represents the intensity of blockage. This formulation is compared with classical models (Goldstein, Vin-centi–Maskell–Elfmark), and demonstrates equivalent, or sometimes superior, accuracy in strong confinement regimes, while offering the advantage of not requiring any parametric adjustment. Next, the effect of void fraction β on lift coefficients CL(α) is investigated. An experimental campaign comprising more than 80 distinct cases was conducted for various chord–channel combinations and flow velocities. The results show a clear correlation between the reduction in the slope of CL(α) and the value of β. A correlating expression as a function of β, Re, and σ is proposed. Finally, a model for predicting the distribution of the bubble cloud is developed based on the Morison equation, enhanced with a pressure gradient term derived from the airfoil’s wake. This model faithfully reproduces the experimental measurements obtained by optical probe, revealing the significant influence of the wake on bubble trajectories. In summary, this thesis presents a comprehensive and original approach to hydrodynamic behavior in confined two-phase flows. The developed models enable better prediction of fluid forces under realistic conditions and open new perspectives for multiphysics modeling and lift-reduction design strategies. Moreover, the detailed study of bubble dynamics in the presence of the profile establishes a link between local pressure field variations—caused by the wake and longitudinal gradient—and the experimentally observed structures in the two-phase cloud. These results highlight the importance of fluid–structure–bubble interaction in the analysis of confined flows.