Influence of surface irregularities on hydrodynamic instabilities in Couette-Taylor and Couette-Taylor-Poiseuille flow
Influence de la rugosité de surfaces de parois sur les instabilités hydrodynamiques d'un écoulement de Couette-Taylor et de Couette-Taylor-Poiseuille
Résumé
: This work deals with a numerical and experimental study of the Couette-Taylor flow where the geometry contains rough surfaces, in order to detect the effect of these irregularities on the hydrodynamic instabilities. Firstly, we carried out a 3D mumerical simulation study (CFD) in the case of a Couette-Taylor flow without axial flow, but using several types of surface roughness: isotropic roughness (micro-roughness), anisotropic roughness (macro-roughness) and variation of the amplitude as well as the type of macro-roughness. The obtained results clearly show the effect of this roughness on the reorganization of the flow and the development of the hydrodynamic instabilities. Secondly, we were interested to carry out an experimental study of Couette-Taylor-Poiseuille flows, with and without axial flow by using two protocols (direct and reverse). Indeed, the superposition of an axial flow (Poiseuille) with a Couette-Taylor flow can have a significant effect on the reorganization of the basic and already known hydrodynamic instabilities, constituted by Taylor cells. Therefore, the presence of an axial flow can generate the development of vortices or their breakup or disappearance, and can move the Taylor vortices in the same direction or the opposite direction of the imposed axial flow. Experimentally, we started with a qualitative study by visualizing the hydrodynamic instabilities thanks to kalliroscope particles. Thereafter, a quantitative study using PIV and polarography was carried out in order to characterize the flow regimes of the first instabilities (TVF, WVF, MWVF and TN) with or without axial flow. The polarographic method, using simple circular probes, was then used to quantify the local and instantaneous wall shear stress. The PIV allowed to study the WVF, MWVF and turbulent regimes. Different vortices’ detection criteria (vorticity ω and Q criterion) were then developed and used to correctly identify the turbulent structures.
Ce travail porte sur l’étude numérique et expérimentale d’un écoulement de Couette-Taylor dans une géométrie à surfaces rugueuses, afin de détecter l’effet de la rugosité sur les instabilités hydrodynamiques. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude de simulation numérique (CFD) 3D dans le cas d’un écoulement de Couette-Taylor sans débit axial, mais en utilisant plusieurs types de rugosités de surfaces : rugosité isotrope (micro-rugosité), rugosité anisotrope (macro-rugosité), variation de l’amplitude ainsi que le type de la macro-rugosité. Les résultats obtenus montrent bien l’effet de cette rugosité sur la restructuration de l’écoulement et le développement des instabilités hydrodynmiques. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à l’étude expérimentale des écoulements de Couette-Taylor-Poiseuille avec et sans débit axial en utilisant deux protocols (direct et inverse). En effet, la superposition d’un écoulement axial (Poiseuille) avec un écoulement de Couette-Taylor, peut avoir un effet important sur la réorganisation de l’hydrodynamique de base déjà connue et constituée de cellules de Taylor. Par conséquent, la présence d’un écoulement axial peut générer la formation de vortex ou leur brisure ou disparition, et peut déplacer ces derniers (vortex ou cellules de Taylor) dans la même direction ou la direction inverse de l’écoulement axial imposé. Expérimentalement, nous avons commencé par une étude qualitative en visualisant les instabilités hydrodynamiques grâce à des particules de kalliroscope. Par la suite, une étude quantitative utilisant la PIV et la polarographie a été effectuée afin de caractériser les régimes d’écoulement des premières instabilités (TVF, WVF, MWVF et TN) en présence ou non d’un débit axial. La méthode polarographique, au moyen de sondes simples circulaires, a été alors utilisée pour quantifier le gradient pariétal de vitesse local et instanané. La PIV a permis d’étudier les régimes WVF, MWVF et turbulent. Différents critères de détection de tourbillons (la vorticité ω et le critère Q) ont été alors développés et utilisés pour bien identifier les structures tourbillonnaires.
