JDFP - Programme 2016

Modes de flambage d'un réseau de cylindres sous écoulement axial

J. Adjiman, J. Berland, H. Berro, O. Doaré, P. Moussou, O. Pascan : IMSIA, EDF R&D, EDF R&D, IMSIA, IMSIA, EDF R&D

Les structures élancées sous écoulement axial sont soumises à des instabilités de type flottement pour peu que la vitesse d'écoulement soit suffisamment élevée. Pour les structures encastrées ou en appui aux deux extrémités, il apparaît d'abord une instabilité statique (divergence ou flambage): les structures sont soumises à de grandes déformations au-delà d'une vitesse critique. Le but de cette présentation est de montrer les effets de cette instabilité sur le comportement collectif d'un réseau de cylindres sous écoulement axial, en adoptant une approche numérique à l'aide de deux modèles d'écoulement (potentiel et turbulent en CFD). Des modes globaux sont identifiés notamment pour un réseau de taille 10x10 cylindres élancés, de diamètre 1cm, avec un ratio pitch par rapport au diamètre de 1.4 et une vitesse d'écoulement incidente de 1m/s (Reynolds=10^5 en eau).

Stochastic fluid structure interaction of a flat plate facing a uniform flow

Olivier Cadot : IMSIA, UMR CNRS 9219, ENSTA-ParisTech

An experiment of a flat rectangular plate facing a uniform flow at Re=264000 shows the importance on the base pressure loading of the asymmetric static modes of the turbulent wake. The plate is free to rotate around its small symmetry axis. For plates with aspect ratio k<6, the angular position exhibits strong random discontinuities between steady states of large non zero angles. The steady states have long time durations, more than one order of magnitude larger than the convective timescale. The discontinuities, comparable to violent and unexpected events are due to strong fluid forces associated with the drastic global change of the three dimensional wake, mainly the switching between static asymmetric modes.

Reversal cycle in square Rayleigh–Bénard cells in turbulent regime

A. Castillo (1,2), A. Sergent (2,3), & M. Rossi (1,4) : Sorbonne Universités, UPMC, Institut Jean Le Rond d’Alembert LIMSI, CNRS, Université Paris-Saclay Sorbonne Universités, UPMC, UFR d’Ingénierie CNRS, Institut Jean Le Rond d’Alembert

"We consider direct numerical simulations of Rayleigh–Bénard convection inside 2D square cells for Rayleigh numbers (Ra = 10 7 − 10 8 ) and Prandtl numbers (Pr = 3.0 −4.3). For this range of values, two types of flow regimes are observed: reversals, when the global rotation switches signs; and cessations, when global rotation is absent. A filtering method which discriminates reversals from cessations is used to identify a characteristic time-scale separating both events for different values of (Ra, Pr). Thereafter, a simple time-rescaling reveals a consistent dynamical pattern from which a generic reversal is produced. We follow the evolution of the angular impulse and available mechanical energy of a generic reversal cycle and define three consecutive stages: acceleration, accumulation, and release, which might be followed by a rebound event. In a second part, we analyze the different stages based on the evolution of flow structures as well as on different global quantities issued from the mechanical energies and mechanical transfer rates. Finally, an interpretation of the mechanism which triggers the rotation switch is explored in terms of a threshold instability."

Stochastic chaos in turbulences

D. Faranda(1), Y. Sato(2), B. Saint-Michel(3), F. Daviaud (4), B. Dubrulle(4) : (1) LSCE, CNRS, Université Paris-Saclay, CEA Saclay, 91191, Gif-sur-Yvette France (2) Hokkaido University, Japan (3) Laboratoire de Physique, ENS Lyon, France (4) SPEC, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay, CEA Saclay, 91191, Gif-sur-Yvette France

"Turbulent flows appear in many geophysical systems of climatic interest and are characterized by an enormous number of degrees of freedom. In the past, many claims have been made regarding the existence of a low dimensional description of their dynamics without convincing evidence. Here, we provide the first experimental evidence of the existence of a random attractor in a fully turbulent flow. The reconstruction of the attractor is made via classical embedding of a global observable which tracks the asymmetry in the flux of angular momentum imparted to the flow. By increasing the asymmetry, a phase transition occurs. The stochastic Duffing equations can reproduce most of the quantitative properties of the experimental attractor, namely the number of fixed points and the Lyapunov exponents. Our findings open the way to solve a long standing controversy in geophysics, about the existence of an attractor in the atmospheric or climate dynamics. Indeed many problems of geophysical fluid dynamics featuring the existence of multiple stationary states such as positive and negatives El Nino states or the appearance of blocking phases of mid-latitude circulation dynamics may be described by low-dimensional stochastic attractors provided the choice of a suitable parameter reflecting the system symmetries."

Wake deviation behind a flapping foil : a symmetry-breaking bifurcation

Damien Jallas, Olivier Marquet, David Fabre : ONERA-DAFE,ONERA-DAFE, IMFT

The mean deviation of the time-periodic wake observed behind flapping foils is investigated with a two-dimensional linear stability analysis. A method preserving the spatio-temporal flow symmetry imposed by the foil motion is specifically developed to determine the non-deviated flow. A Floquet stability analysis of this time-periodic flow then shows the existence of an unstable real Floquet mode for a pitching frequency corresponding to the onset of the mean wake deviation.

Global and local energy dissipation in a turbulent von K

Kuzzay, D., Faranda, D., Dubrulle, B. : SPEC, CEA Saclay LSCE, CEA Saclay SPEC, CEA Saclay

Crise de portance sur une surface courbée

Marc Rabaud, Patrick Bot, Goulven Thomas, Alessandro Lombardi, Charles Lebret : FAST et Irenav (Ecole Navale)

Nous montrerons que pour certains obstacles, en plus de la classique crise de traînée, on peut observer une crise de la force de portance.

Simulation d'instabilités dans les vortex hélicoïdaux

Ivan Delbende, Can Selçuk, Maurice Rossi : UPMC, LIMSI, Institut d'Alembert

"Nous utilisons des codes numériques dédiés pour simuler la croissance d'instabilités au voisinage de systèmes de tourbillons à symétrie hélicoïdale : modes de déplacement à grande longueur d'onde ainsi que modes à petite longueur d'onde qui croissent par instabilité elliptique. Des simulations non linéaires illustrent également des dynamiques complexes d'interaction entre vortex hélicoïdaux : dépassements, saute-mouton et fusions."

Génération et renversement d’un écoulement moyen dans un verre de bière

Frédéric Moisy, Romaric Kostenko, Wietze Herreman : FAST, LIMSI

Pour aérer un vin avant de le déguster, on imprime au verre un mouvement de translation circulaire. En plus de créer une onde de surface se propageant circulairement (onde de ballottement, ou sloshing), il est bien connu que ce mouvement engendre une rotation du fluide, en général dans la même direction que la vitesse de phase de l’onde. Si l’on réalise maintenant cette expérience avec un verre de bière, surprise : sous certaines conditions, la couche de mousse à la surface se met à tourner en sens inverse du liquide ! Pourquoi ?

Erosion d'un lit granulaire par une plaque oscillante : comment les poissons plats s'enfouissent dans le sable ?

C. Morize, A. Sauret et P. Gondret : FAST Orsay, SVI Aubervilliers

Some bottom-dwelling fish generate a flow capable of resuspending sand, to bury themselves and avoid predators. By flapping their fins, they create vortices that lift the sand particles up and deposit them on top of their backs. A model experiment has been developed to characterize this situation: a rigid foil placed above a sand bed mimics the fin motion. We characterized the influence of the amplitude and frequency of the motion on the generated fluid flow. In addition, the onset of erosion was determined and these measurements were rationalized to predict the minimum velocity of the oscillation to erode the granular bed.

Numerical simulation of the Von-Kármán-Sodium dynamo experiment

Caroline Nore with J.-L. Guermond, D. Castanon-Quiroz and L. Cappanera : LIMSI-CNRS and Texas A&

"We present hydrodynamic and magnetohydrodynamic (MHD) simulations of liquid sodium flow in the Von-Karman-Sodium (VKS) set-up. For the first time, the counter-rotating impellers made of soft iron are realistically modeled. Our results show that the ferromagnetic impellers are crucial to obtain the predominantly axisymmetric dynamo mode in a VKS configuration in a full-MHD model at moderate kinetic Reynolds numbers."

Synthetic boundary conditions for the simulation of wall turbulence

Bérengère Podvin, Yann Fraigneau : LIMSI-CNRS Université Paris-Saclay

We consider numerical simulations of turbulent channel flow where the wall region is replaced with a synthetic boundary condition that mimics the flow at the upper edge of the wall region. Turbulent statistics are found to be in good agreement with those of a reference channel. This study could help develop alternative models for efficient simulation of wall turbulence, as well as improve our understanding of the interactions between the inner and the outer layer.

Etude numérique de la brisure de symétrie du sillage derrière un corps de Ahmed

Stéphanie Pellerin, Bérengère Podvin et Luc Pastur : LIMSI-CNRS, Université Paris Saclay, LIMSI-CNRS, LIMSI-CNRS, Université Paris Saclay

"L'écoulement 3D incompressible instationnaire turbulent autour d'un coprs de type Ahmed, tronqué à l'arrière, est étudié numériquement par Simulation des Grandes Echelles, en formulation vitesse-tourbillon, et avec une méthode de pénalisation pour les solides. L'influence de la distance à la paroi, ou garde au sol, est étudiée, ainsi que l'apparition d'une dissymétrie du sillage pour une garde au sol suffisante. Les résultats présentés correspondent aux champs instationnaires et moyens de vitesse, tourbillon et pression. Les modes POD sont également extraits."

Contrôle actif des modes de brisure de symétrie

A. Evrard, O. Cadot, L. Pastur, F. Lusseyran, D. Sipp, H. Abou-Kandil, L. Mathelin, S. Pellerin : IMSIA, LIMSI, SATIE, DAFE

Le sillage du corps d'Ahmed à culot droit explore aléatoirement deux modes asymétriques miroirs par rapport à son plan de symétrie. Une stratégie pour réduire la traînée est de stabiliser le sillage sur le mode de sillage symétrique. Pour cela, un expérience de contrôle actif en boucle ouverte est réalisée avec deux volets placés à l'arrière du corps. La réponse du sillage est étudiée en fonction de perturbations symétriques et antisymétrique. Seules les perturbations antisymétriques permettent de stabiliser vers le sillage symétrique.

Réduction de traînée en turbulence en rotation

Nathanael Machicoane, Antoine Campagne, Basile Gallet, Pierre-Philippe Cortet, Frederic Moisy : Laboratoire FAST, CNRS, Univ. Paris-Sud, Universite Paris-Saclay, 91405 Orsay, France. Service de Physique de l'Etat Condense, CEA, CNRS, Universite Paris-Saclay, CEA Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France

La détermination de la force de traînée subie par un objet en mouvement est un problème central en mécanique des fluides. Pour des nombres de Reynolds suffisamment élevés, la force de traînée devient indépendante de la viscosité : c'est l'anomalie dissipative de la turbulence. La façon dont une rotation d'ensemble modifie les lois d'échelles de la force de traînée turbulente est une question encore ouverte et que nous abordons en étudiant la puissance injectée par une hélice en rotation dans référentiel tournant.

Dynamique de concentration de particules inertielles en turbulence

Monchaux Romain : IMSIA, ENSTA-ParisTech/CNRS/CEA/EDF, Université Paris Saclay, 828 Boulevard des Maréchaux, 91762 Palaiseau Cedex, France

Closed-loop turbulence control using machine learning

B. R. Noack, L. Cordier, T. Duriez, M. W. Abel & S. L. Brunton : Noack: LIMSI-CNRS, France; Cordier: PPRIME, France; Duriez: CONICET, Argentinia; Abel: AMBROSYS, Germany; Brunton: U Washington, USA

We present a machine learning control (MLC) strategy for arbitrary turbulent flow configurations with finite number of actuators and sensors. MLC designs and optimizes closed-loop control laws automatically - detecting and exploiting linear to strongly non-linear actuation mechanisms. Presented closed-loop control studies range from nonlinear dynamical systems to shear turbulence experiments. MLC is shown to outperform optimized open-loop forcing for these plants and to work when linear closed-loop control methods fail.

Variation temporelle et structure locale de la dispersion de traceurs dans des écoulements oscillants dans des cellules de Hele-Shaw lisses et rugueuses

Y.L. Roht, H. Auradou, J-P. Hulin, D. Salin, R. Chertcoff and I. Ippolito : FAST (Orsay), GMP-FIUBA (Buenos-Aires), LIA PMF (France-Argentine)

Pour une cellule à parois lisses, on démontre expérimentalement et numériquement que, lorsque la période des oscillations diminue, on passe d'une dispersion de Taylor classique à une dispersion partiellement réversible où la vitesse locale du front de déplacement suit celle du fluide. Pour une cellule rugueuse, une composante de dispersion géométrique liée au désordre de l'écoulement apparait lorsque l'amplitude des oscillations est suffisamment grande.

Le thermophone : un moteur thermoacoustique particulier

C. Weisman, D. Baltean-Carlès, F. Jebali, J. Rémus, D. H. Truong : LIMSI

Un thermophone est un instrument de musique de type tuyau d’orgue où le son est produit par effet thermoacoustique. Cet instrument s’apparente à un moteur thermoacoustique de type ondes stationnaires. On présente les spécificités du thermophone, et on montre comment la théorie linéaire de Rott utilisée pour l’étude des machines thermoacoustiques peut être adaptée à l’étude du démarrage du son.

Optimisation non linéaire de tourbillons

H. Johnson, V. Brion, L. Jacquin : ONERA

Une méthode d'optimisation non linéaire direct-adjoint est appliquée aux cas d'un tourbillon isolé 2D et d'une paire de tourbillons contrarotatifs 2D. Dans un premier temps la méthode utilisée sera détaillée, dans un second temps les premiers résultats seront exposés.

Etude des écoulements tourbillonnaires de bord d'attaque sur des voilures tournantes

Ye-Bonne KOYAMA, Grégory DELATTRE, Laurent JACQUIN : Snecma, ONERA

Cette thèse vise à apporter une compréhension physique des tourbillons de bord d'attaque sur des pales à faible allongement en vue d'obtenir les meilleures performances aéro-acoustiques d'un doublet d'hélices d'Open Rotor au décollage. Il s'agit de déterminer quels sont les paramètres de forme de pale et de fonctionnement influençant le tourbillon afin de le conserver et le maîtriser s'il s'avère être bénéfique, ou de l'éliminer dans le cas contraire. Je présenterai des résultats préliminaires d'étude paramétrique de forme de pale et l'expérience envisagée pour observer le tourbillon de bord d'attaque.

Instabilité de Tayler et convection thermique dans les batteries à métaux liquides

Wietze Hermann (1), Caroline Nore (1), Jean-Luc Guermond (1,2), Julien Commenge (1) : (1) Laboratoire d’Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur, CNRS UPR 3251, BP 133, 91403 Orsay cedex, France, Université Paris-Saclay, composante Paris-Sud (2) Department of Mathematics, Texas A&M University 3368 TAMU, College Station, TX 77843-3368, USA

Les batteries à métaux liquides (LMBs) sont constituées d'un ensemble de fluides métal – sel fondu – alliage naturellement stratifiés au repos. Au delà d'un courant critique vertical, le système n’est plus dans un état de repos et des vortex successivement contrarotatifs apparaissent selon l'axe gravitaire. Ceci constitue l'instabilité de Tayler. Aussi, puisque la différence de conductivité électrique entre l'électrolyte et les métaux est importante, la recherche d'une éventuelle instabilité thermique due au chauffage par effet Joule devient plausible. Ainsi, nous proposons un modèle couplant les équations de la MHD et de la thermique, d'abord dans un système cylindrique monofluide, puis dans le cas des LMBs. Nous présenterons entre autres des résultats témoignant de la compétition entre l'instabilité de Tayler et la convection thermique.

Quelques métriques alternatives pour l'analyse des déformations d'interfaces

Marie-Charlotte Renoult, Charles Rosenblatt, Pierre Carles : Laboratoire FAST, Université Paris-Sud / CNRS (FRANCE) Physics Department, Case Western Reserve University, Cleveland (USA)

"La majeure partie des études sur les instabilités d'interfaces se focalisent sur l'évolution dans le temps de l'amplitude des déformations. Cette métrique particulière semble être l'une des plus naturelles dans la définition d'une ""intensité"" du processus dynamique à l'oeuvre, tout en étant l'une des plus facilement accessibles expérimentalement. Si cette métrique est généralement suffisamment descriptive dans la phase de croissance linéaire d'une instabilité, il n'en est pas de même dès que des couplages non linéaires forts se développent. En effet, ceux-ci ont en général pour conséquences d'à la fois modifier la dynamique de croissance des déformation et la dynamique d'évolution de leur forme. Pour nombre d'applications, en particulier celles qui sont sensibles à l'évolution de la surface d'échange entre deux milieux (combustion, inter-diffusion, adsorption, ...), on voit clairement que la mesure seule de l'amplitude des déformations ne ""résume"" pas toute l'histoire du processus à l'oeuvre. En nous basant sur nos travaux expérimentaux récents sur l'instabilité de Rayleigh-Taylor par lévitation magnétique, nous décrirons comment deux métriques alternatives, complémentaires à l'amplitude, peuvent enrichir significativement la description des déformations d'interfaces tout en conservant une relative concision et une facilité d'interprétation physique. Nous montrerons que, tout comme l'amplitude, ces deux métriques demeurent définies même en régime fortement non linéaire de l'instabilité, ce qui permet de poursuivre la description quantitative du phénomène au-delà même du régime faiblement non linéaire."

Metal pad roll instability in liquid metal batteries

Norbert Weber, Frank Stefani, Tom Weier : Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf

"Liquid metal batteries, built as a stable density stratification of two liquid metals and a molten salt are considered as a promising candidate for grid-scale energy storage in the future. Long-wave interface instabilities, as known from aluminum smelters, may short-circuit a liquid metal battery and must therefore be avoided. First simulations of this instability, carried out with the free CFD library OpenFOAM, are presented."

Réponse input-output d'un système linéaire par rapport à la norme infinie

Lutz Lesshafft, Xavier Garnaud : LadHyx

Nous proposons un algorithme qui permet d'obtenir, pour un système linéaire forcé, le gain entre "input" (forçage) et "output" (réponse) en terme des amplitudes maximales respectives. Une telle analyse est souvent désirable dans la déscription des écoulements amplificateurs, entre autre parce que les amplitudes sont plus facilement observables dans les expériences que d'autres normes, qui necessiteraient une intégration en espace. La procédure sera démontrée sur l'exemple d'un jet incompressible.

Simulations d’une sphère traversant un nuage de grains.

Antoine Seguin, Aline Lefebvre-Lepot, Sylvain Faure, Philippe Gondret : FAST Orsay, SPEC CEA Saclay, LMO Orsay, CMAP Palaiseau

Nous nous intéressons au régime stationnaire qui s’établit lors de la traversée d’une sphère à travers une couche bidimensionnelle de grains sans interaction autres que des collisions totalement dissipatives. Nous nous intéressons à l’amas de grains qui se forme autour de la sphère, à l’écoulement qu’y s’y tient et à la force de traînée qui en résulte.