INTRODUCTION
La m´ecanique des fluides et celle des solides ont ´et´e longtemps des sciences s´epar´ees. Pour- tant, dans l’industrie comme dans la vie quotidienne les interactions fluides-structures sont omnipr´esentes. Le ronflement, l’emballement d’un tuyau d’arrosage soumis `a un fort d´ebit ou le mart`element d’un robinet ne sont que quelques exemples bien connus o`u l’´ecoulement d’un fluide en contact avec des ´el´ements de structure entraˆıne un comportement vibratoire important. L’essentiel des probl`emes de l’industrie a´eronautique, navale, chimique et ´ener- g´etique est directement li´e aux interactions fluide-structure. Surtout au cours des cinquante derni`eres ann´ees, l’´etude de ses interactions est devenue une science `a part enti`ere. Les vibra- tions dues aux ´ecoulements peuvent parfois ˆetre utiles (dans un instrument de musique `a vent, par exemple), mais elles sont consid´er´ees comme un probl`eme `a ´eviter dans la plupart des applications industrielles. La vibration excessive de syst`emes de tuyauterie peut entraˆıner de l’usure pr´ematur´ee due au frottement ou `a la fatigue et mˆeme, plus rarement, la destruction compl`ete d’´el´ements de structure.
Parmi les ´ecoulements fluides, ceux m´elangeant une ou plusieurs phases non miscibles in- t´eressent particuli`erement l’industrie. Pr´es de la moiti´e des syst`emes de tuyauterie en milieu industriel op`erent dans des conditions d’´ecoulement diphasique Pettigrew et Taylor (1994). Dans plusieurs applications, l’utilisation de ces ´ecoulements permet de meilleurs rendements thermiques et des ´echanges de chaleur plus efficaces. Les ´ecoulements diphasiques se re- trouvent dans une grande vari´et´e d’applications industrielles dans des domaines tels que la p´etrochimie, la biochimie, la production d’´electricit´e, l’a´erospatiale, l’industrie des proc´ed´es, la micro´electronique, etc. Au sein de l’industrie nucl´eaire, les ´ecoulements diphasiques jouent un rˆole de premier plan. Dans une centrale nucl´eaire `a r´eacteur CANDU, par exemple, les g´en´erateurs de vapeur qui alimentent les turbines sont des composants qui comportent des milliers de tubes soumis `a des ´ecoulements diphasiques eau vapeur. Depuis le d´ebut des an- n´ees 50, les ´ecoulements diphasiques ont ´et´e ´etudi´es de fa¸con intensive : ´ebullition nucl´eique, condensation, transfert de chaleur, pertes de charge et la thermohydraulique des ´ecoulements sont des sujets qui furent approfondis tr`es tˆot pour faire face aux nombreux d´efis `a relever dans l’essor de l’industrie nucl´eaire.
Afin de mieux appr´ehender ces ph´enom`enes, la chaire Interaction Fluide-Structure met en place des techniques exp´erimentales et th´eoriques pour mesurer et mod´eliser les caract´e- ristiques de tels ´ecoulements afin de mieux connaitre leurs effets sur les structures.
Cette th`ese s’int´eressera plus particuli`erement `a l’amortissement diphasique et la compr´e- hension des ph´enom`enes qui y sont reli´es. L’amortissement diphasique est particuli`erement d´ependant du taux de vide (la proportion d’une phase par rapport `a l’autre). L’influence du taux de vide sera ´etudi´ee. En particulier, ce dernier joue un rˆole cl´e dans la configuration que choisit l’´ecoulement (l’organisation des deux phases dans l’espace et le temps). Afin de mieux comprendre son rˆole, nous allons ´etudier les raisons qui peuvent modifier la d´epen- dance spatiale et spectrale du taux de vide. En effet, les mesures de la densit´e spectrale ont montr´e que les ´ecoulements poss`edent un caract`ere p´eriodique ; les fr´equences pouvant ˆetre corr´el´ees en fonction du flux volum´etrique du liquide Jones et Prosperetti (1985). Le taux de vide est donc un param`etre tr`es utile pour la compr´ehension et la caract´erisation des ´ecoule- ments diphasiques. On verra que sa variation locale est la source de modification profonde de l’´ecoulement. La mod´elisation de ce ph´enom`ene est donc d’une importance primordiale pour comprendre la physique de tels ´ecoulements.
Les ´ecoulements engendrant des vibrations peuvent ˆetre class´es en trois cat´egories : – Les ´ecoulements internes (´ecoulement dans une tuyauterie)
– Les ´ecoulements externes axiaux (´ecoulement autour d’un train, d’un fuselage d’avion ou de certains tuyaux d’un ´echangeur de chaleur)
– Les ´ecoulements externes transverses (´ecoulement autour d’une chemin´ee, d’un faisceau de tubes, etc.)
Mon ´etude s’int´eresse en particulier aux ´ecoulements internes. Elle a trois objectifs princi- paux :
– Mettre au point de nouvelles techniques de mesure des ´ecoulements diphasiques. – Proposer des explications sur les m´ecanismes g´en´erant l’amortissement diphasique. – Mod´eliser et comprendre le rˆole de la turbulence et du taux de vide dans les ´ecoulements
diphasiques.
Ma th`ese s’articulera autour de quatre articles de journaux. Deux sur l’amortissement diphasique et deux sur la mod´elisation des ´ecoulements. Le premier chapitre donnera lieu `a une revue de litt´erature. Le deuxi`eme chapitre d´etaillera le travail accompli pour mettre au point des sondes `a capacitance, lequel n’a pas encore fait l’objet d’aucune publication dans un journal. Les chapitres 4 et 5 seront consacr´es aux deux articles de journaux consacr´es `a l’amortissement diphasique. Les chapitres 6 et 7 correspondront aux deux articles de journaux traitant de la mod´elisation des ´ecoulements diphasiques et en particulier le rˆole du taux de vide dans les forces interfaciales et la turbulence diphasique.