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Theses Year : 2014

Dynamics and global stability analysis of three-dimensional flows

Analyse de la stabilité globale et de la dynamique d'écoulements tridimensionnels

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Abstract

Understanding, predicting and eventually delaying transition to turbulence in fluid flows have been challenging issues for scientists ever since the pioneering work of Osborne Reynolds in 1883. These problems have mostly been addressed using the hydrodynamic linear stability theory. Yet, due to limited computational resources, linear stability analyses have essentially relied until recently on strong simplification hypotheses such as the “parallel flow” assumption. In this framework, known as “local stability theory”, only the stability of flows with strong academic interest but limited practical applications can be investigated. However, over the course of the past decade, simplification hypotheses have been relaxed from the “parallel flow” assumption to a two-dimensionality assumption of the flow resulting in what is now known as the “global stability theory”. This new framework allows one to investigate the instability and transition mechanisms taking place in more realistic flows. More particularly, the stability of strongly non-parallel flows exhibiting separation, a common feature of numerous flows of practical interest, can now be studied. Moreover, with the continuous increase of computational power available and the development of new iterative eigenvalue algorithms, investigating the global stability of fully three-dimensional flows, for which no simplification hypothesis is necessary, is now feasible. Following the work presented in 2008 by Bagheri et al., the aim of the present thesis is thus to develop the tools mandatory to investigate the stability of 3D flows. Three flow configurations have been chosen to illustrate the new investigation capabilities brought by global stability theory when it is applied to realistic three-dimensional flows: i) the flow within a cuboid lid-driven cavity, ii) the flow within an asymmetric stenotic pipe and iii) the boundary layer flow developing over a cylindrical roughness element mounted on a flat plate. Each of these flows have different practical applications ranging from purely academic interests to biomedical and aerodynamical applications. They also allow us to put in the limelight different aspects and possible limitations of the various tools developed during this PhD thesis.
Comprendre, prédire et finalement retarder la transition vers la turbulence dans les écoulements sont d'importants problèmes posés aux scientifiques depuis les travaux pionniers d'Osborne Reynolds en 1883. Ces questions ont été principalement adressées à l'aide de la théorie des instabilités hydrodynamiques. A cause des ressources informatiques limitées, les analyses de stabilité linéaire reposent essentiellement sur d'importantes hypothèses simplificatrices telles que celle d'un écoulement parallèle. Dans ce cadre, connu sous le nom de stabilité locale, seule la stabilité d'écoulement ayant un fort intérêt académique mais relativement peu d'applications pratiques a pu être étudiée. Néanmoins, au cours de la décennie passée, l'hypothèse d'écoulement parallèle a été relaxée au profit de celle d'un écoulement bidimensionnel conduisant alors à ce que l'on appelle la stabilité globale. Ce nouveau cadre permet alors d'étudier les mécanismes d'instabilité et de transition ayant lieu au sein d'écoulements plus réalistes. Plus particulièrement, la stabilité d'écoulements fortement non-parallèles pouvant présenter des décollements massifs, une caractéristique fréquente dans les écoulements d'intérêt industriel, peut maintenant être étudiée. De plus, avec l'accroissement constant des moyens de calcul et le développement de nouveaux algorithmes de recherche de valeurs propres itératifs, il est aujourd'hui possible d'étudier la stabilité d'écoulements pleinement tridimensionnels pour lesquels aucune hypothèse simplificatrice n'est alors nécessaire. Dans la continuité des travaux présentés par Bagheri et al. en 2008, le but de la présente thèse est de développer les outils nécessaires à l'analyse de la stabilité d'écoulements 3D. Trois écoulements ont été choisis afin d'illustrer les nouvelles capacités de compréhension apportées par l'analyse de la stabilité globale appliquée à des écoulements tridimensionnels réels : i) l'écoulement au sein d'une cavité entraînée 3D, ii) l'écoulement se développant dans un tuyau sténosé, et enfin iii) l'écoulement de couche limite se développant au passage d'une rugosité cylindrique montée sur une plaque plane. Chacun de ces écoulements a différentes applications pratiques allant d'un intérêt purement académique à une application biomédicale et aérodynamique. Ce choix d'écoulements nous permet également d'illustrer les différents aspects des outils développés au cours de cette thèse ainsi que les limitations qui leur sont inhérentes.
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tel-01177042 , version 1 (16-07-2015)

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  • HAL Id : tel-01177042 , version 1

Cite

Jean-Christophe Loiseau. Dynamics and global stability analysis of three-dimensional flows. Mechanics [physics.med-ph]. Ecole nationale supérieure d'arts et métiers - ENSAM, 2014. English. ⟨NNT : 2014ENAM0016⟩. ⟨tel-01177042⟩
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