Chapitre III - DISPOSITIFS ET METHODES EXPERIMENTALES
III.2.3 Caractérisation des structures turbulentes
Afin de vérifier que les écoulements étudiés sont bien représentatifs des écoulements décrits dans la section II.1.1, nous étudions certaines caractéristiques des éjections et des sweeps.
III.2.3.1 Taille des éjections et des sweeps
Premièrement, la taille des éjections (Q2) et des sweeps (Q4) est étudiée. Les structures turbulentes de type éjections et sweeps sont détectées pour chaque type d’écoulement sans appliquer de seuil de détection H. La détection des structures est expliquée en détail dans la section V.6.1.1. La détection de ces structures permet d’en déterminer la taille dans la direction longitudinale, Tx et dans la direction verticale, Ty. Ces tailles sont adimensionalisées par les échelles de la couche interne de l’écoulement afin d’être exprimées en unités de paroi. Les tailles moyennes des structures et le pourcentage de dispersion sont donnés dans le Tableau III-3.
L’observation des valeurs répertoriées dans le Tableau III-3 montre une large dispersion des tailles des structures. En effet, on voit que dans la direction longitudinale, la taille moyenne des éjections varie de 188 à 226 unités de paroi suivant le nombre de Reynolds de l’écoulement avec une dispersion de 40 à 50%. Ces données mettent en évidence une légère augmentation de la taille Tx des éjections avec le nombre de Reynolds de l’écoulement. De plus, il est important de noter que ces données sont bien du même ordre de grandeur que celles dans la littérature (Nakagawa and Nezu,
1981; Bigillon and Garcia, 2002) qui varient de 110 à 250 unités de paroi (section II.1.2.2.2). L’analyse des valeurs du Tableau III-3 indique que les tendances observées pour la taille longitudinale des éjections sont identiques pour la taille verticale des éjections (
T
y+, Q2) ainsi que pour les tailles des sweeps (Tx+, Q4 etT
y+, Q4).De plus, comme les observations de Nakagawa and Nezu, 1981; Wark and Nagib, 1991; Bigillon
and Garcia, 2002, les tailles moyennes du Tableau III-3 montrent que les sweeps sont légèrement plus
grands que les éjections et que les structures turbulentes sont plus longues que hautes.
Re x T+, Q2
T
y+, Q2 Tx+, Q4T
y+, Q4 10000 188 ±40% 160±31% 210±38% 178±50% 15000 196±40% 167±32% 211±55% 181±50% 24000 208±40% 183±53% 210±35% 185±45% 30000 226±50% 200±45% 227±54% 205±46%Tableau III-3 : Tailles moyennes des éjections Q2 et des sweeps Q4
III.2.3.2 Répartition des évènements turbulents dans l’écoulement
Comme nous avons vu dans la section II.1.1.3, la contribution des évènements turbulents à la contrainte de Reynolds, RSi (équation (II-7)), ainsi que leur répartition spatiale, Si (équation (II-9)) sont les caractéristiques représentatives de l’importance des différents évènements turbulents dans l’écoulement. Ces deux caractéristiques sont représentées respectivement sur la Figure III-14 et la Figure III-15, en présence de billes et en eau claire, dans les écoulements (a) Re=10000, (b), Re=15000, (c) Re=24000 et (d) Re=30000. Sur ces figures sont aussi représentées les répartitions données par les formules empiriques de Nezu and Nakagawa, 1993, basées sur des expériences en écoulement d’eau claire à surface libre (ANNEXE). Les représentations de la Figure III-14 et de la Figure III-15 sont données à une hauteur y/h=0,25. Dans ces figures, les RSi et Si sont donnés en fonction du flux relatif de quantité de mouvement
' '
' '
u v
w
u v
=
des évènements turbulents détectés. Le « i » du RSi et du Sireprésente le numéro du quadrant de chaque évènement. Nous rappelons que Q1 correspond au quart de plan défini par u’>0 et v’>0, Q2 (éjection) à u’<0 et v’>0, Q3 à u’<0 et v’>0 et Q4 (sweep) à u’>0 et
v’<0. La représentation de ces figures est sous la forme des quadrants, c'est-à-dire que chaque
graphique de ces figures est divisé en 4 quadrants dans le même ordre que celui donné par la Figure II-5.
Ces deux figures indiquent que la contribution des évènements à la contrainte de Reynolds et leur répartition spatiale dans le cas de nos expériences sont très similaires à celles données par Nezu and
Nakagawa, 1993. On observe que la présence des sédiments n’altère pas ces deux répartitions. En effet,
on voit que quelque soit le type de bille et l’écoulement étudié, les contributions RSi et les répartitions spatiales Si sont toutes identiques à celles obtenues en écoulement d’eau claire. Cette observation montre que les écoulements étudiés au cours de ces expériences sont représentatifs des écoulements décrits dans la littérature. Cette remarque nous permet de plus de conclure que les structures turbulentes que nous observerons dans ces écoulements seront similaires en intensité, en fréquence et en répartition spatiale à celles présentées dans la section II.1.1.
De plus, ces figures montrent que les éjections et les sweeps sont les deux types d’évènements les plus présents dans un écoulement turbulent à surface libre. Les éjections et les sweeps sont aussi les structures de l’écoulement qui fournissent la part la plus importante de la contrainte de Reynolds de
l’écoulement, c'est-à-dire de la production turbulente. Ces résultats sont en accord avec les observations de précédents travaux (Nezu and Nakagawa, 1993; Hurther, 2001).
Figure III-14 : RSi en y/h=0,25, pour des écoulements (a) Re = 10000, (b) Re = 15000, (c) Re = 24000, (d) Re = 30000. Les différents marqueurs représentent les différentes billes utilisées, les couleurs
Figure III-15 : Si en y/h=0,25, pour des écoulements (a) Re = 10000, (b) Re = 15000, (c) Re = 24000, (d)
Re = 30000. Les différents marqueurs représentent les différentes billes utilisées, les couleurs
correspondent aux 4 types de structures turbulentes
III.3Expériences en turbulence artificielle
III.3.1 Dispositif expérimental
Veine d’essai
Comme expliqué dans la section II.1.2, nous avons fait le choix de générer un train d’hairpin vortex à l’aide d’un hémisphère. Afin d’avoir un écoulement plus contrôlé, ces expériences ont été faites dans un tunnel hydraulique. Elles ont été réalisées dans la veine d’essai THEBES qui a été mise en place dans la thèse de Vassilev, 2006. La Figure III-16 est un schéma de la veine d’essai. Une description détaillée du banc expérimental ainsi que de son fonctionnement est présentée dans Vassilev, 2006. Cette veine fait 3m de long et a une section carrée de 80x80mm. Elle est en plexiglas sur toute sa longueur ce qui permet de faire des mesures en utilisant des techniques de visualisations, notamment par injection de fluorescéine et de la PIV. Cette veine est dimensionnée pour des écoulements pouvant varier de Re = 0 à Re = 1000000.
Figure III-16 : Veine d'essai Thebes (Vassilev, 2006)
Génération d’hairpin vortex artificiels en couche limite
Comme nous l’avons vu dans la section II.1.2.1, nous avons choisi de générer des hairpin vortex artificiels en perturbant une couche limite à l’aide d’un hémisphère. La couche limite se développe sur une plaque plane au bord d’attaque biseauté, qui est insérée dans le canal. Elle est positionnée à l’entrée du canal afin d’avoir un écoulement uniforme qui arrive dessus. La plaque a une épaisseur de 1cm, une longueur de 1m et est biseautée d’un angle de 30°. La plaque est ensuite équipée d’un hémisphère de rayon, R = 7mm ainsi que deux trous, l’un permettant l’injection de fluorescéine juste en aval de l’hémisphère (Rossi, 2001) et l’autre l’injection des particules solides. Le dessus de la plaque a été creusé de façon à former un lit de particule de 4,9cm de long, 3cm de large et 0,5cm d’épaisseur. Il est positionné à une distance de 4,5 à 11,5 R. La Figure III-17 montre ce dispositif en présence de particules.
Figure III-17 : Dispositif expérimental de génération des hairpin vortex en couche limite avec étude du transport de particules (schéma pas à l’échelle)