Flow and air-entrainment around a partially submerged vertical cylinder

L'écoulement autour d'un objet partiellement immergé comme une carène ou une pile de pont est une configuration fondamentale au regard de la dynamique de la surface libre. La caractérisation de cet écoulement est essentielle dans des applications environnementales, ou pour des systèmes d'énergies marines renouvelables. De telles structures sont soumises à des efforts de traînée et de portance provenant de l'interaction avec le courant, la houle, et la surface libre. Ce travail s'inscrit dans la compréhension des efforts s'exerçant sur des objets partiellement immergés. Notre problématique est simplifiée en considérant une géométrie cylindrique. Nous présentons des résultats expérimentaux obtenus en canal, où le cylindre est tracté ainsi que des résultats numériques obtenus à l'aide du code YALES2, basé sur la méthode des volumes finis. Le cylindre vertical est partiellement immergé et le sillage généré derrière le cylindre est caractérisé par une déformation de la surface libre. L'écoulement derrière le cylindre est gouverné par les nombres de Reynolds et de Froude, caractérisant l'importance des effets inertiels et gravitaires. Ces nombres sans dimension sont définis à l'aide du diamètre du cylindre. La gamme de vitesse balayée et les diamètres utilisés permettent d'atteindre des nombres de Reynolds jusqu'à 240 000, et des nombres de Froude jusqu'à 2.4 correspondant à un sillage turbulent. L'attention est portée sur les fortes déformations de surface libre allant jusqu'à sa rupture et l'entraînement d'air. En particulier, deux modes d'entrainement d'air ont été observés : (i) dans la cavité le long du cylindre et (ii) dans le sillage du cylindre. La vitesse critique à l'entraînement d'air dans la cavité a été mesurée et son évolution est comparée avec une loi d'échelle proposée par Benusiglio. Nous avons observé l'influence de cet entraînement d'air sur les efforts de traînée grâce à des mesures à l'aide de capteurs piézoélectriques. Nos résultats sont comparés avec des résultats expérimentaux à des Reynolds et Froude inférieurs et des résultats sans surface libre. Une comparaison avec des résultats numériques est également réalisée. La présence de la surface libre et de l'entraînement d'air dans la cavité entraîne une diminution des efforts de traînée par rapport au cas monophasique. Numériquement, le code utilise une méthode level-set pour la description de la surface libre et permet de reproduire les phénomènes d'entraînement d'air, la déformation de la surface libre et la dynamique de l'écoulement autour du cylindre. Ce travail étend la gamme de paramètres adimensionnels parcourus expérimentalement et numériquement, et met en évidence l'effet de l'entrainement d'air sur les efforts de traînée.The flow past ships or an emerged body such as bridge pilar, is a fundamental, familiar and fascinating sight.Measurements and modelling of this simple flow can have relevance to offshore structures and renewable energy systems. The interaction of such structures with marine environment lead to drag, lift forces and free-surface effects.Our current problem is simplified by considering cylindrical geometry. This work presents experimental results, in which vertical cylinders are translated at constant speed through water initially at rest, and numerical results using YALES2 computing code based on finite volume method. The cylinders are partially immersed, then the motion induces turbulent wake and free-surface deformation. The flow is governed by the Reynolds and Froude numbers defined with cylinder diameter. The explored range of parameters are in the regime of turbulent wake with experiments carried out for Reynolds number up to 240 000, and Froude number up to 2.4. The focus here is on drag force measurements and strong free-surface deformation up to rupture and air-entrainment. Two modes of air-entraiment have been observed: (i) in the wake of the cylinder and (ii) in a cavity along the cylinder wall. Results are as follows. First, a scaling for the critical velocity for air-entrainment in the cavity proportional to D1/5 proposed by Benusiglio is recovered. Secondly, drag coefficients measured by piezoelectric sensors are smaller in two phase flow compared to monophasic case, and air-entrainment in the cavity enhances this decrease. Numerically, YALES2 uses level-set method for the descirption of the free-surface, and is able to reproduce air-entrainment phenomenon, free-surface deformations and flow dynamics around the cylinder. The present work expands the range of dimensionless parameters and highlights free-surface effects on drag forces