ONDES DE GRAVITÉ ET DYNAMIQUE TOURBILLONNAIRE DANS UNE CAVITÉ LATÉRALE À SURFACE LIBRE. - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Gravity waves and vortex dynamics in a free surface lateral cavity

ONDES DE GRAVITÉ ET DYNAMIQUE TOURBILLONNAIRE DANS UNE CAVITÉ LATÉRALE À SURFACE LIBRE.

Résumé

Present works focuses on determining the free surface oscillation frequency, as well as the vortex shedding frequency, for open-channel lateral cavities with a simplified prismatic geometry. Theses cavities can be encountered in the field as oxbows or artificial harbor. For these cavities, the free surface oscillation has a significant influence on the ecosystem inside the cavity, on the exchange process of nutrients, oxygen, with the main flow, but also on the mooring system wear or on the loading of ships. Measurement using PIV, Fourier based profilometry and ultrasonic probes revealed that the free surface oscillation and vortex shedding frequency are equal to each other or every measurement of this PhD. Moreover, spectral analysis show a unique energetic peak (sometimes with associated harmonics), indicating that this oscillating process is monochromatic. Thus, the vortex shedding is constrained by the presence of a downstream corner for all measurements. Its behavior is hence greatly modified compared to the vortex shedding in a free mixing layer. For low Froude numbers Fr<0.6, a feedback model commonly applied to acoustic cavities, has been adapted for the open-channel cavities. This process is based on the exchange of vortex energy into potential energy at the downstream corner of the cavity, generating gravity waves of same frequency. These gravity waves, in turn, propagate in all horizontal directions and eventually trigger the vortex shedding at the upstream corner of the cavity. Using a resonance criteria based on the wave phase, the model can predict all available oscillation frequencies for a given flow configuration. Moreover, gravity waves can resonate within the cavity if one these available frequencies happens to be close enough to a natural cavity mode. In this case, the cavity frequency is ``locked-on'' the natural mode, as long as the available frequencies predicted by the feedback model is not too far from the natural frequencies. For high Froude number, Fr>0.6, free surface oscillation amplitude rises rapidly and the frequency is “locked-on” a natural frequency of the cavity. In this regime, the feedback process is not valid anymore, meaning that the vortex shedding process is entirely governed by gravity wave resonance. Additionally, using Fourier based profilometry method, the synchronization between free surface oscillation and vortex shedding has been investigated. It shows that the vortex shedding at the upstream corner, as well as the impact of vortices at the downstream corner, are associated with a trough of the wave respectively in the vicinity of the upstream and downstream corner of the cavity. This behavior is retrieved for all tested configurations with high and low values of the Froude number. Finally, a typology of the observed cavity flows, completing the simple existing typology in the literature, is proposed based on the processes governing the oscillation frequency of the cavity.
Les travaux présentés ici se sont focalisés sur la détermination des fréquences d’oscillation de la surface libre, ainsi que sur la fréquence du lâcher tourbillonnaire, pour des cavités latérales adjacentes à un écoulement à surface libre de géométrie prismatique simplifiée. Ces cavités représentent des cavités à géométries plus complexes retrouvées dans la nature, comme des ports artificiels ou des bras morts de rivière. Pour ces cavités, les oscillations de surface libre peuvent influer sur la vie de l’écosystème dans la cavité, sur les échanges de nutriments, d’oxygène, avec le canal principal, mais également sur l’usure des systèmes d’amarrages et sur le chargement des bateaux. Les mesures réalisées par PIV, profilométrie par transformée de Fourier et ultrason ont montré que la fréquence des oscillations de surface libre est identique à la fréquence du lâcher tourbillonnaire pour toutes les mesures de cette thèse. Les spectres ne présentent qu’un seul pic énergétique (avec parfois des harmoniques), indiquant que le processus est monochromatique. Le lâcher tourbillonnaire est ainsi systématiquement soumis à un forçage, induit par la présence du coin aval de la cavité, quelle que soit la valeur du nombre de Froude. Le comportement de la couche de mélange entre une cavité latérale et un écoulement est donc fondamentalement différent de celui d’une couche de mélange libre. Pour les bas nombres de Froude Fr<0.6, un processus de rétroaction, utilisé dans le domaine acoustique, a été adapté au cas des cavités latérales à surface libre. Ce processus se base sur la conversion de l’énergie des tourbillons en énergie potentielle au coin aval, créant des ondes de gravité de fréquence égale à la fréquence d’impact des tourbillons, se propageant dans toutes les directions. Ces ondes de gravité forcent ensuite le lâcher tourbillonnaire au niveau du coin amont. Le modèle, basé sur un critère de résonance associé à ce processus, permet de prédire les différentes fréquences disponibles pour une configuration d’écoulement donnée. En plus de ce phénomène de rétroaction, les ondes de gravité peuvent entrer en résonances dans la cavité, si leur fréquence est proche de celle d’un mode propre de cavité. Dans ces cas, la fréquence d’oscillation de la cavité est ``accrochée'' à un mode propre jusqu’à ce que les fréquences disponibles s’en éloignent trop. Les amplitudes d’oscillation sont alors particulièrement faibles. Lorsque le nombre de Froude est élevé Fr>0.6, les amplitudes d’oscillation augmentent soudainement et la fréquence d’oscillation de la cavité est fixée, égale à une valeur correspondant à un mode propre de cavité. Dans ce régime, le modèle de rétroaction n’est plus valide, et le lâcher tourbillonnaire est alors dominé par les oscillations de surface libre. Par ailleurs, à l’aide de mesure par profilométrie par transformée de Fourier, la synchronisation entre les tourbillons de la couche de mélange et les oscillations de surface libre a pu être étudiée. La génération, ainsi que l’impact des tourbillons, sont toujours associés à un creux de l’oscillation au niveau du coin amont (pour la génération) ou aval (pour l’impact), quel que soit le régime d’écoulement considéré. Finalement, une typologie des écoulements en cavité latérale à surface libre, complétant la typologie proposée dans la littérature, est proposée en se basant sur les processus à l’origine de la sélection de la fréquence d’oscillation de la cavité.
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Citer

Clément Perrot-Minot. ONDES DE GRAVITÉ ET DYNAMIQUE TOURBILLONNAIRE DANS UNE CAVITÉ LATÉRALE À SURFACE LIBRE.. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université de Lyon, 2019. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02874832⟩
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