Écoulement dans un tube en oscillation radiale étude numérique et visualisation expérimentale

Abstract

Le travail présenté dans ce mémoire concerne l'étude numérique et expérimentale de l'écoulement en développement dans un tube soumis à des oscillations radiales et sinusoïdales dans un plan horizontal. Au mieux de la connaissance de l'auteur, ce problème n'a fait l'objet d'aucune étude publiée à ce jour. L'étude envisagée a pour objet de comprendre, d'un point de vue fondamental, l'effet des oscillations du tube sur les caractéristiques de l'écoulement ainsi que sur sa structure. L'étude numérique est basée sur un modèle mathématique parabolique dans la direction de l'axe du tube. L'adimensionalisation du modèle mathématique montre que le problème considéré est régi par trois paramètres indépendants: le nombre de Reynolds de l'écoulement (Re), le nombre de Reynolds d'oscillation (Re&omega;) et l'amplitude des oscillations du tube (A). Ce modèle est résolu par une méthode numérique de volumes finis. Les résultats numériques montrent une dynamique d'écoulement complexe et intéressante. Ainsi, les oscillations du tube induisent un écoulement transversal. Cet écoulement est particulièrement intéressant pour les systèmes de transferts de chaleur et/ou de masse, d'autant plus que le profil de vitesse axiale est tel que son maximum reste confiné près de l'axe du tube. Par ailleurs, les oscillations du tube peuvent induire un renversement de l'écoulement axial dépendamment des valeurs des paramètres Re, Re&omega; et A. L'étude expérimentale consiste en une visualisation de la structure de l'écoulement considéré. Cette visualisation révèle que les oscillations du tube induisent une transition précoce de l'écoulement vers la turbulence à des nombres de Reynolds relativement faibles (Re < 2000). La valeur de Re pour laquelle l'écoulement n'est plus laminaire dépend de la fréquence des oscillations du tube (soit Re&omega;). Cette valeur est d'autant plus basse que Re&omega; est élevé. Une cartographie de la structure l'écoulement a été établie couvrant une large gamme de débit (Re) et de fréquence d'oscillation (Re&omega;).