Hydrodynamique d'une bulle déformée dans un écoulement cisaillé

Overview & Synopsis

Ce travail est consacré à l’étude par simulation numérique directe du comportement d’une bulle ellipsoïdale plongée dans un écoulement linéairement cisaillé. Les équations complètes tridimensionnelles de Navier-Stokes sont pour cela résolues en coordonnées curvilignes ortho- gonales par une méthode de volumes finis. La bulle a un rapport de forme variant entre 1 et 2.7, tandis que le nombre de Reynolds et le cisaillement adimensionnel basés sur le grand axe de la bulle varient respectivement de 50 à 2000 et de 0 à 1.2. Les résultats numériques montrent que le cisaillement a pour effet d’imposer le plan de symétrie du sillage qui reste invariant quel que soit les paramètres de l’écoulement. L’analyse de la vorticité longitudinale révèle que le sillage s’organise sous forme de deux tubes antisymétriques par rapport au plan de symétrie dont le signe change en fonction de l’importance de deux mécanismes en compétition (mécanisme de Lighthill et mécanisme lié à l’instabilité du sillage). L’étude de la force de portance montre que, quel que soit le rapport de forme de la bulle, le coefficient de portance tend à partir d’un nombre de Reynolds suffisamment grand vers la solution de fluide parfait. La force de portance est alors dirigée dans le même sens que pour une bulle sphérique. Nous avons retrouvé pour des nombres de Reynolds de l’ordre de la centaine l’inversion de la force de portance comme observée expérimentalement. Cette inversion de la portance qui apparaît pour un aplatissement supérieur à 2.225, est directement liée à la vorticité longitudinale dans le sillage qui propulse la bulle dans des directions opposées en fonction de son sens de rotation. Le comportement de la traînée ne révèle pas d’effet significatif induit par la structure du sillage ; le coefficient de traînée varie de manière quadratique avec le cisaillement. Enfin, l’étude du couple montre que le sens de rotation de la bulle s’inverse dans les mêmes conditions d’écoulement que celles conduisant à une inversion du signe de la force de portance indiquant, ainsi la même origine liée à l’organisation de la vorticité longitudinale. En faisant varier l’orientation de la bulle dans l’écoulement, nous avons montré l’existence d’une position d’équilibre stable pour une faible inclinaison du petit axe avec la direction de l’écoulement.