Ecoulements entre disques tournants
Les instabilités de l'écoulement
généré par la rotation différentielle
de deux disques enfermés par un cylindre sont
étudiées expérimentalement. Dans notre
dispositif expérimental (figure 1), le disque
inférieur (noir) tourne dans la cavité cylindrique
transparente elle-même en rotation. Les instabilités
sont étudiées au moyen de visualisation, ainsi que
par des mesures de champs de vitesse (Vélocimétrie
par Images de Particules).
Les différentes
instabilités observées dans ce système sont
synthétisées dans la cartographie de la figure 2.
Chaque axe représente la vitesse angulaire de l'un des
disques (le rapport d'aspect a été fixé
à R/h = 21). Les régions jaune et rose
correspondent aux instabilités de couche
limite, observés en co-rotation et faible
contra-rotation. La région bleue correspond à l'instabilité de cisaillement, propre
à l'écoulement contra-rotatif.
Instabilités de couche limite
L'écoulement,
homogène pour les faibles vitesses de rotation, va transiter
vers un régime d'ondes circulaires se propageant de la
périphérie vers le centre de la cellule (figure 3).
Quand on augmente encore la vitesse de rotation les structures
circulaires disparaissent de la périphérie pour
laisser la place à un réseau de spirales. Ce motif
est appelé "spirales positives", les bras spiraux faisant un
angle positif avec la composante tangentielle de la vitesse du
fluide. Ces ondes circulaires et
spirales positives sont confinées à la couche limite
rentrante près du disque fixe (Gauthier et al. 1999).
Instabilité de cisaillement
L'écoulement obtenu
par contra rotation des disques engendre un nouveau motif
d'instabilité (figure 3), constitué d'un
réseau polygonal de tourbillons entouré de bras
spiraux (Moisy et al 2003, 2004). Les bras spiraux de ce
réseau forme un angle négatif avec la direction de la
composante tangentielle de la vitesse du fluide (Gauthier et
al 2002). A faible rapport d'aspect (R/h entre 2 et 6 environ),
seul le motif polygonal est visible, tandis qu'à fort rapport
d'aspect (R/h > 14) n'apparaissent que les bras spiraux.
L'origine de cette
instabilité propre à l'écoulement
contra-rotatif a été identifiée, au moyen de
mesures par Vélocimétrie par Images de Particules
(PIV). Cette techique permet, à partir de
corrélations d'images de particules éclairées
par une nappe laser, de reconstruire le champ de vitesse 2D
instantanné.
Sur la figure 5, on voit que le champ de vitesse présente
une importante couche de cisaillement annulaire (en rouge),
séparant deux régions du fluide tournant en sens
inverse. Cette couche de cisaillement devient instable
vis-à-vis de perturbations 2D brisant l'axisymmétrie
(instabilité de type Kelvin-Helholtz). L'intéraction
entre le motif de tourbillons qui en résulte et les couches
limites près des disques est à l'origine des bras
spiraux observés.
Ces obsevations
expérimentales ont récemment motivé une
étude numérique, menée par O. Daube (CEMIF /
LME). La figure 6 représente l'écoulement en
contra-rotation observé à rapport d'aspect
élevé, montrant des motifs très proches de
ceux obtenus expérimentalement. Ces simulations ont permi de
confirmer la nature de l'instabilité.
Publications
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C. Nore, F. Moisy and L. Quartier, Experimental observation of near-heteroclinic cycles in the von Karman swirling flow, Phys. Fluids 17 (6), 064103 (2005)
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(224Kb)].
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[Abstract].
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