Conception d'un banc d'essai pour analyser les mouvements bidimensionnels d'un cylindre à faible ratio de masse subissant des vibrations induites par vortex

Ce mémoire s’inscrit dans le cadre de l’étude expérimentale des vibrations induites par vortex (Vortex-Induced Vibrations, VIV) d’un cylindre circulaire en écoulement transverse d’eau. L’objectif principal de cette recherche est la conception d’un dispositif permettant de déterminer l’amplitude du mouvement du cylindre lorsque l’on minimise le ratio de masse m∗ et le coefficient d’amortissement structurel ζa, deux paramètres critiques dans le comportement des VIV. On espère ainsi maximiser l’amplitude de vibration. Le dispositif repose sur un cylindre monté dans une section d’essai intégrée aux boucles hydrodynamiques du LEGH (Laboratoire Expérimental Grande Hauteur) de Polytechnique Montréal. L’une des contributions originales de ce travail réside dans la capacité à permettre un mouvement libre bidimensionnel dans le plan XY , sans recourir à un système pendulaire. Cette approche permet d’éviter les déséquilibres tourbillonnaires et les dissipations énergétiques associées à l’asymétrie des structures classiques. Une première itération du système, imprimée en 3D avec de l’ABS, reposait sur un mécanisme de glissement plan sur plan pour assurer le mouvement bidimensionnel. Bien qu’elle ait permis de valider les principes mécaniques et de démontrer la possibilité d’atteindre un ratio de masse m∗ = 0,32, inférieur au seuil critique identifié dans la littérature, cette version présentait plusieurs limitations structurelles : manque de rigidité, gauchissement des composants et amortissement excessif. Ces constats ont conduit à une refonte complète du dispositif. La version finale, construite en fibre de carbone, adopte un système de guidage par bielles permettant une translation libre selon deux directions orthogonales. Le cylindre, redimensionné pour respecter les critères dynamiques visés, a été analysé par éléments finis à l’aide du logiciel ABAQUS afin de valider sa résistance sous chargement hydrodynamique. Parallèlement, l’ensemble du système a été modélisé sous SolidWorks pour assurer la compatibilité géométrique des assemblages, vérifier les débattements permis et estimer avec précision le ratio de masse du système. Celui-ci a été confirmé à m∗ = 0,32, montrant la robustesse du design proposé. Les résultats obtenus confirment la pertinence et la faisabilité de l’approche retenue. Ils constituent une base solide pour la réalisation de futures campagnes expérimentales visant à approfondir la compréhension des couplages fluide-structure en régime subcritique et à bas nombre de Reynolds.

Abstract

This thesis focuses on the development of an experimental platform designed to study vortexinduced vibrations (VIV) of a circular cylinder in transverse flow of water. The main goal is to achieve a low structural damping ratio ζa and mass ratio m∗, thereby maximizing the amplitude of cylinder oscillations and enhancing fluid–structure interaction in the low Reynolds number regime. The centerpiece of the setup is a carbon fiber cylinder mounted in a transparent test section connected to the hydrodynamic loops available at Polytechnique Montréal. A central design innovation lies in enabling a planar bidirectional motion in the XY -plane without relying on pendular suspensions, which tend to generate asymmetric vortex patterns and undesirable energy dissipation. An initial prototype, fabricated through 3D printing in ABS, employed a planar sliding system to constrain the cylinder’s movement. Although this version validated the feasibility of achieving a subcritical mass ratio m∗ = 0.32, it exhibited key mechanical limitations such as insufficient stiffness and warping of the supporting splitter plates. These issues led to excessive damping and compromised dynamic fidelity, necessitating a full redesign. The improved configuration relies on a system of rigid linkages enabling unconstrained movement along two orthogonal axes. A new cylinder was designed and numerically assessed using ABAQUS to verify its structural performance under fluid loading. All components were then modeled in 3D using SolidWorks, allowing for a detailed assembly analysis and accurate computation of the system’s submerged mass properties. The revised setup maintains a theoretical mass ratio of m∗ = 0.32, ensuring conditions favorable to the onset of VIV. Overall, the outcomes validate the design strategy and offer a solid experimental framework for future studies aiming to explore fluid–structure coupling mechanisms in regimes where inertial effects are minimized.