Study of the interaction between a fluid and an oscillating structure: forces and flow regimes, from an isolated cylinder to a bundle of cylinders
Étude de l'interaction entre un fluide et une structure oscillante : régimes d'écoulement et de forces, du cylindre isolé au réseau de cylindres
Abstract
This thesis presents a 2D numerical and physical study of the dynamics of a viscous incompressible fluid initially at rest, put in motion by forced transverse rectilinear oscillations of a cylinder. That system is described by two dimensionless numbers. The Reynolds number (Re) measures the ratio of the inertial forces to the viscous forces, and the Keulegan-Carpenter number (KC) compares the amplitude of the cylinder oscillations to its diameter. The objective is to determine the influence of those two parameters on the drag and transverse forces exerted by the fluid on the structure, in relation with flow dynamics. The Navier-Stokes equations are numerically solved with a finite element method. Firstly various modes are identified from computanional results regarding the flow and forces responses over an oscillation cycle. Flow symmetry properties and vortex patterns are correlated to the time-series of the forces. Besides simulations on long durations compared to the cylinder oscillation period reveal stability domains of the modes in the plane (KC, Re). For some regimes, forces exhibit amplitude fluctuations. They are interpreted notably from forces spectra and flow instabilities. Finally the transition from the problem of one cylinder to the case of a square bundle of 25 cylinders is studied. An energetic approach is proposed to characterize the influence of KC and Re on the global system's behavior, for the isolated cylinder and for the bundle.
Cette thèse porte sur l'étude numérique et physique de la dynamique d'un fluide réel incompressible initialement au repos, mis en mouvement par les oscillations rectilignes transversales forcées d'un cylindre. Ce système est décrit par deux nombres adimensionnels. Le nombre de Reynolds (Re) compare les forces d'inertie aux forces de viscosité, et le nombre de Keulegan-Carpenter (KC) mesure l'amplitude des oscillations du cylindre par rapport à son diamètre. L'objectif est de déterminer l'influence de ces deux paramètres sur les forces de traînée et de portance exercées par le fluide sur la structure, en lien avec la dynamique de l'écoulement. Les équations de Navier-Stokes sont résolues numériquement par une méthode d'éléments finis. Les résultats de ces calculs pour l'écoulement et les forces permettent d'abord d'identifier différents modes de comportement du système sur un cycle d'oscillation du cylindre. Les propriétés de symétrie de l'écoulement et les trajectoires des tourbillons sont corrélées aux signaux temporels des forces. Puis l'analyse de la réponse du système sur des temps longs devant la période d'oscillation du cylindre met en évidence des domaines de stabilité des modes dans le plan (KC, Re). Dans certains régimes, les forces présentent des fluctuations d'amplitude. Elles sont interprétées notamment à l'aide des spectres des forces et des instabilités observées dans l'écoulement. Enfin, le passage du problème d'un seul cylindre à un réseau carré de 25 cylindres est étudié. Une approche énergétique est proposée pour caractériser l'influence de KC et Re sur le comportement global du système, dans le cas du cylindre isolé et celui du réseau.
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