Hydrodynamique instationnaire d'un cylindre sous choc

A theoretical, numerical and experimental approaches are developed to study the transient hydrodynamics of a cylinder under shock conditions. The theoretical approach consists of the construction of a general model for the prediction of the force and pressure distribution around the cylinder for any transient motions in a viscous two-dimensional fluid domain. The numerical modeling is based on a moving meshing of the fluid domain using the CFD code, STAR-CD. An experimental set-up has been built that is able to generate different motion profiles (sinusoidal acceleration, harmonic motion) for a cylinder in a tank. These three complementary approaches have shown the induced flow is governed by two non-dimensional numbers : the Stokes number, Beta, and the Keulegan-Carpenter number, KC. Beta is a measure of the ratio between the viscous and the shock time scales and KC is the ratio between the maximum displacement of the cylinder and its diameter. When Beta is high (inviscid flow), the force on the cylinder is dominated by the inertial effect for any KC. At low KC, the pressure is monitored only by inertial effect whereas, for high KC, an advection effect is added. At moderate beta and for low value of KC, three effects act on the force and pressure : the inertial, the history and the drag effects. For high value of KC, the flow becomes more complex : vortical flow structures appear. These latter induce strong local pressure fluctuations without modifying the global force. The last part of this work is a study of a fluid-structure interaction problem. Theoretical analysis and numerical code are employed to treat this problem. Inertial, history and drag effects appears simultaneously and are coupled with the cylinder motion.Ce travail présente une étude analytique, numérique et expérimentale de l'hydrodynamique d'un cylindre soumis à un choc sinus. L'étude analytique consiste à développer un modèle général permettant de prédire les forces et la répartition de pressions sur le cylindre soumis à un mouvement transitoire quelconque dans un fluide visqueux bidimensionel. La simulation numérique s'attache à la modélisation en maillage mobile d'un cylindre évoluant dans un domaine fluide infini bidimensionel sous le code généraliste STAR-CD. Un dispositif expérimental avec la chaîne de mesure associée est conçu permettant d'imposer différents types de mouvements (choc sinus, mouvement oscillatoire entretenu) à un cylindre baignant dans un bassin. Ces trois approches complémentaires montrent que l'écoulement est régi par deux nombres adimensionnels : le nombre de Stokes, Beta, et le nombre de Keulegan-Carpenter, KC. Beta mesure le rapport entre le temps de diffusion visqueuse et le temps caractéristique du choc et KC le rapport entre le déplacement maximum du corps et son diamètre. Dans le cas où Beta est très grand (fluide parfait), la force sur le cylindre est régie par l'effet inertiel quelque soit KC. A petit KC, la pression est contrôlée uniquement par l'effet inertiel alors que pour des grands KC, un effet d'advection vient s'ajouter. A Beta modéré et pour des petites valeurs de KC, la force et la pression subissent trois effets : un effet d'inertie, d'histoires et de traînée. Pour des grandes valeurs de KC, l'écoulement devient plus riche : des zones dynamiques de vorticité apparaissent. Elles induisent de fortes fluctuations locales de pression sans modifier la force totale. Ce travail se termine par l'étude d'un cas d'interaction fluide-structure où les outils de prédiction et de simulation développés récédemment sont mis en oeuvre. Les phénomènes d'inertie, de trainée et les effets d'histoire apparaissent simultanément et sont couplés avec le mouvement du cylindre