Flow and air-entrainment around partially submerged vertical cylinders

In this study, a partially submerged vertical cylinder is moved at constant velocity through water, which is initially at rest. During the motion, the wake behind the cylinder induces free-surface deformation. Eleven cylinders, with diameters from $D=1.4$ to 16 cm, were tested at two different conditions: (i) constant immersed height $h$ and (ii) constant $h/D$. The range of translation velocities and diameters are in the regime of turbulent wake with experiments carried out for $4500<Re<240 \,000$ and $0.2<Fr<2.4$, where $Re$ and $Fr$ are the Reynolds and Froude numbers based on $D$. The focus here is on drag force measurements and relatively strong free-surface deformation up to air-entrainment. Specifically, two modes of air-entraiment have been uncovered: (i) in the cavity along the cylinder wall and (ii) in the wake of the cylinder. A scaling for the critical velocity for air-entrainment in the cavity has been observed in agreement with a simple model. Furthermore, for $Fr>1.2$, the drag force varies linearly with $Fr$

Numerical and experimental studies of the flow around a partially submerged vertical cylinder

International audienceL'écoulement et l'injection d'air autour d'un cylindre vertical partiellement immergé, en translation, est étudié expérimentalement et numériquement. Le régime d'écoulement est turbulent avec 15 000 < Re < 60 000 et 0.4 < F r < 1.7, où Re et F r sont les nombres de Reynolds et de Froude adimensionnés à l'aide du diamètre D du cylindre. Une cavité à l'aval du cylindre est observée. L'objectif de ce travail est d'étudier les efforts de traînée, l'élévation de la surface libre et la vitesse critique à partir de laquelle il y a entraînement d'air. Un bon accord entre les expériences et les simulations a été trouvé, évaluant ainsi la profondeur de la cavité, le coefficient de traînée et la vitesse critique d'injection d'air. Abstract : The flow around a vertical cylinder piercing the free-surface is studied experimentally and numerically. The cylinder has a free-end and the range of velocities are in the regime of turbulent wake with experiments and simulations carried out for 15 000 < Re < 60 000 and 0.4 < F r < 1.7, where Re and F r are the Reynolds and Froude numbers based on the cylinder diameter D. A cavity downstream the cylinder is observed. The focus here is on drag force measurement, free-surface elevation, and critical velocity for air-entrainment. Specifically, a good agreement between experiments and simulations is obtained for the cavity depth, the drag coefficient and the critical velocity

Étude expérimentale de l'éclatement tourbillonnaire en bordure d'une plaque immergée sous la houle

L'interaction de la houle avec une structure immergée génère des filaments tourbillonnaires très intenses qui ont un fort impact sur leur environnement proche. La dynamique de ces filaments présente des mécanismes de déstabilisation fortement tridimensionnels dont la caractérisation représente un défi expérimental. Pour identifier et comprendre ces mécanismes, nous avons utilisé l'holographie numérique dans l'axe, par afin d'accéder à la distribution tridimensionnelle des vitesses au sein du tourbillon et ainsi mieux comprendre la nature des processus intervenant dans sa déstabilisation. Ses mesures sont complétées par des mesures en stéréo-piv afin de valider les résultats obtenus par holographie

Experiments and Simulations of Free-Surface Flow behind a Finite Height Rigid Vertical Cylinder

We present the results of a combined experimental and numerical study of the free-surface flow behind a finite height rigid vertical cylinder. The experiments measure the drag and the wake angle on cylinders of different diameters for a range of velocities corresponding to 30,000 &lt;Re&lt; 200,000 and 0.2&lt;Fr&lt;2 where the Reynolds and Froude numbers are based on the diameter. The three-dimensional large eddy simulations use a conservative level-set method for the air-water interface, thus predicting the pressure, the vorticity, the free-surface elevation and the onset of air entrainment. The deep flow looks like single phase turbulent flow past a cylinder, but close to the free-surface, the interaction between the wall, the free-surface and the flow is taking place, leading to a reduced cylinder drag and the appearance of V-shaped surface wave patterns. For large velocities, vortex shedding is suppressed in a layer region behind the cylinder below the free surface. The wave patterns mostly follow the capillary-gravity theory, which predicts the crest lines cusps. Interestingly, it also indicates the regions of strong elevation fluctuations and the location of air entrainment observed in the experiments. Overall, these new simulation results, drag, wake angle and onset of air entrainment, compare quantitatively with experiments

Molecular determinants of surface colonisation in diarrhoeagenic Escherichia coli (DEC): from bacterial adhesion to biofilm formation

peer-reviewedEscherichia coli is primarily known as a commensal colonising the gastrointestinal tract of infants very early in life but some strains being responsible for diarrhoea, which can be especially severe in young children. Intestinal pathogenic E. coli include six pathotypes of diarrhoeagenic E. coli (DEC), namely, the (i) enterotoxigenic E. coli, (ii) enteroaggregative E. coli, (iii) enteropathogenic E. coli, (iv) enterohemorragic E. coli, (v) enteroinvasive E. coli and (vi) diffusely adherent E. coli. Prior to human infection, DEC can be found in natural environments, animal reservoirs, food processing environments and contaminated food matrices. From an ecophysiological point of view, DEC thus deal with very different biotopes and biocoenoses all along the food chain. In this context, this review focuses on the wide range of surface molecular determinants acting as surface colonisation factors (SCFs) in DEC. In the first instance, SCFs can be broadly discriminated into (i) extracellular polysaccharides, (ii) extracellular DNA and (iii) surface proteins. Surface proteins constitute the most diverse group of SCFs broadly discriminated into (i) monomeric SCFs, such as autotransporter (AT) adhesins, inverted ATs, heat-resistant agglutinins or some moonlighting proteins, (ii) oligomeric SCFs, namely, the trimeric ATs and (iii) supramolecular SCFs, including flagella and numerous pili, e.g. the injectisome, type 4 pili, curli chaperone-usher pili or conjugative pili. This review also details the gene regulatory network of these numerous SCFs at the various stages as it occurs from pre-transcriptional to post-translocational levels, which remains to be fully elucidated in many cases

Characterisation of the role of the Antigen 43 in the colonisation process of Escherichia coli O157∶H7

Les Escherichia coli entérohémorragiques (EHEC) O157:H7 sont des agents pathogènes alimentaires entrainant des colites hémorragiques et des syndromes hémolytiques et urémiques (SHU). Depuis le ruminant, le réservoir naturel, les EHEC peuvent contaminer certaines denrées alimentaires et in fine infecter l’Homme. La présence de composants de la matrice extracellulaire (ECM) le long de la chaine alimentaire pourrait participer à leur capacité de colonisation grâce à des protéines de surface bactérienne. Parmi ces protéines, l’antigène 43 (Ag43) est sécrété par le système de sécrétion de Type V, sous-type a (T5aSS) et appartient à la famille des SAAT (self-associating autotransporters). Ces protéines modulaires, composées d’un peptide signal N-terminal clivable, d’un domaine passager central exposé à la surface et d’un translocateur C-terminal membranaire, peuvent s’auto-associer selon un mécanisme de Velcro moléculaire. A l’origine, l’Ag43 était distribué en deux sous-familles SF-I et SF-II mais des analyses phylogénétiques ont révélé pour la première fois qu’il est en réalité distribué en 6 classes différentes nommées C1 à C6, basées sur le réarrangement de différents sous-domaines à l’intérieur du domaine passager de la protéine. Quant à la prévalence et la distribution chez les bactéries, l’agn43 s’est avéré être présent essentiellement chez E. coli avec jusqu’à 5 copies du gène par génome, en différentes combinaisons de classes d’Ag43. Des analyses fonctionnelles des Ag43 C1 à Ag43 C4 ont démontré que des interactions homotypiques survenaient pour toutes les classes mais l’Ag43 C3 présentait des différences significatives de cinétique de sédimentation et d’autoagrégation. L’étude des interactions hétérotypiques entre Ag43 de différentes classes a démontré qu’elles ne se produisaient que dans de rares cas. Chez E. coli O157:H7, l’Ag43 C2 a été démontré comme contribuant à l’adhésion des bactéries aux collagènes I et III et à l’autoagrégation. De plus dans cette souche, ce phénotype s’est avéré être régulé par la méthylase Dam et le régulateur de transcription OxyR. Globalement, ces travaux apportent de nouvelles connaissances concernant la diversité de l’Ag43 et son rôle et sa régulation chez E. coli O157:H7. Ainsi, l’Ag43 pourrait être un important facteur de colonisation de la chaine alimentaire pour les EHEC et les autres E. coli diarrhéiques.Enterohaemorrhagic Escherichia coli (EHEC) O157:H7 are anthropozoonotic agents leading to haemorrhagic colitis and haemolytic-uremic syndrome (HUS). From the ruminants, their natural reservoir, EHEC can contaminate some foodstuffs and consequently infect humans. The presence of extracellular matrix (ECM) components along the food chain could contribute to the colonisation process. Numerous proteins can be present at the bacterial cell surface in EHEC, among them, antigen 43 (Ag43) is secreted by the Type V, subtype a, secretion system (T5aSS) and belongs to the family of self-associating autotransporters (SAATs). These modular proteins, comprising a cleavable N-terminal signal peptide, a surface-exposed central passenger and an outer membrane C-terminal translocator, self-recognise in a Velcro-like handshake mechanism. Ag43 was originally considered as distributed into two subfamilies, namely SF-I and SF-II but phylogenetic network analyses revealed for the first time that it actually distribute into six distinct classes, namely C1 to C6 based on the shuffling of different subdomains within the Ag43 passengers. Regarding prevalence and distribution in Bacteria, agn43 appeared to be essentially present in E. coli with up to 5 copies of the gene present in a single genome and in different combinations of Ag43 classes. Functional analyses of Ag43 C1 to Ag43 C4 revealed that homotypic interactions occurred for all Ag43 classes but Ag43 C3 induced significant differences in the sedimentation kinetics and autoaggregation state. In contrast, heterotypic interactions occurred in a very limited number of cases. In E. coli O157:H7, Ag43 C2 was shown to contribute to bacterial adhesion to collagens I and III and to the autoaggregation. Furthermore in this strain, the latter phenotype appeared to be regulated by the Dam methylase and the OxyR transcriptional regulator. Taken together, these results provide new insights of the diversity of Ag43 as well as its role and regulation in E. coli O157:H7. Thus, Ag43 may represent an important colonisation factor of the food chain by EHEC and other diarrheagenic E. coli

Flow and air-entrainment around a partially submerged vertical cylinder

L'écoulement autour d'un objet partiellement immergé comme une carène ou une pile de pont est une configuration fondamentale au regard de la dynamique de la surface libre. La caractérisation de cet écoulement est essentielle dans des applications environnementales, ou pour des systèmes d'énergies marines renouvelables. De telles structures sont soumises à des efforts de traînée et de portance provenant de l'interaction avec le courant, la houle, et la surface libre. Ce travail s'inscrit dans la compréhension des efforts s'exerçant sur des objets partiellement immergés. Notre problématique est simplifiée en considérant une géométrie cylindrique. Nous présentons des résultats expérimentaux obtenus en canal, où le cylindre est tracté ainsi que des résultats numériques obtenus à l'aide du code YALES2, basé sur la méthode des volumes finis. Le cylindre vertical est partiellement immergé et le sillage généré derrière le cylindre est caractérisé par une déformation de la surface libre. L'écoulement derrière le cylindre est gouverné par les nombres de Reynolds et de Froude, caractérisant l'importance des effets inertiels et gravitaires. Ces nombres sans dimension sont définis à l'aide du diamètre du cylindre. La gamme de vitesse balayée et les diamètres utilisés permettent d'atteindre des nombres de Reynolds jusqu'à 240 000, et des nombres de Froude jusqu'à 2.4 correspondant à un sillage turbulent. L'attention est portée sur les fortes déformations de surface libre allant jusqu'à sa rupture et l'entraînement d'air. En particulier, deux modes d'entrainement d'air ont été observés : (i) dans la cavité le long du cylindre et (ii) dans le sillage du cylindre. La vitesse critique à l'entraînement d'air dans la cavité a été mesurée et son évolution est comparée avec une loi d'échelle proposée par Benusiglio. Nous avons observé l'influence de cet entraînement d'air sur les efforts de traînée grâce à des mesures à l'aide de capteurs piézoélectriques. Nos résultats sont comparés avec des résultats expérimentaux à des Reynolds et Froude inférieurs et des résultats sans surface libre. Une comparaison avec des résultats numériques est également réalisée. La présence de la surface libre et de l'entraînement d'air dans la cavité entraîne une diminution des efforts de traînée par rapport au cas monophasique. Numériquement, le code utilise une méthode level-set pour la description de la surface libre et permet de reproduire les phénomènes d'entraînement d'air, la déformation de la surface libre et la dynamique de l'écoulement autour du cylindre. Ce travail étend la gamme de paramètres adimensionnels parcourus expérimentalement et numériquement, et met en évidence l'effet de l'entrainement d'air sur les efforts de traînée.The flow past ships or an emerged body such as bridge pilar, is a fundamental, familiar and fascinating sight.Measurements and modelling of this simple flow can have relevance to offshore structures and renewable energy systems. The interaction of such structures with marine environment lead to drag, lift forces and free-surface effects.Our current problem is simplified by considering cylindrical geometry. This work presents experimental results, in which vertical cylinders are translated at constant speed through water initially at rest, and numerical results using YALES2 computing code based on finite volume method. The cylinders are partially immersed, then the motion induces turbulent wake and free-surface deformation. The flow is governed by the Reynolds and Froude numbers defined with cylinder diameter. The explored range of parameters are in the regime of turbulent wake with experiments carried out for Reynolds number up to 240 000, and Froude number up to 2.4. The focus here is on drag force measurements and strong free-surface deformation up to rupture and air-entrainment. Two modes of air-entraiment have been observed: (i) in the wake of the cylinder and (ii) in a cavity along the cylinder wall. Results are as follows. First, a scaling for the critical velocity for air-entrainment in the cavity proportional to D1/5 proposed by Benusiglio is recovered. Secondly, drag coefficients measured by piezoelectric sensors are smaller in two phase flow compared to monophasic case, and air-entrainment in the cavity enhances this decrease. Numerically, YALES2 uses level-set method for the descirption of the free-surface, and is able to reproduce air-entrainment phenomenon, free-surface deformations and flow dynamics around the cylinder. The present work expands the range of dimensionless parameters and highlights free-surface effects on drag forces

Écoulement et entraînement d’air autour d’un cylindre vertical partiellement immergé

The flow past ships or an emerged body such as bridge pilar, is a fundamental, familiar and fascinating sight.Measurements and modelling of this simple flow can have relevance to offshore structures and renewable energy systems. The interaction of such structures with marine environment lead to drag, lift forces and free-surface effects.Our current problem is simplified by considering cylindrical geometry. This work presents experimental results, in which vertical cylinders are translated at constant speed through water initially at rest, and numerical results using YALES2 computing code based on finite volume method. The cylinders are partially immersed, then the motion induces turbulent wake and free-surface deformation. The flow is governed by the Reynolds and Froude numbers defined with cylinder diameter. The explored range of parameters are in the regime of turbulent wake with experiments carried out for Reynolds number up to 240 000, and Froude number up to 2.4. The focus here is on drag force measurements and strong free-surface deformation up to rupture and air-entrainment. Two modes of air-entraiment have been observed: (i) in the wake of the cylinder and (ii) in a cavity along the cylinder wall. Results are as follows. First, a scaling for the critical velocity for air-entrainment in the cavity proportional to D1/5 proposed by Benusiglio is recovered. Secondly, drag coefficients measured by piezoelectric sensors are smaller in two phase flow compared to monophasic case, and air-entrainment in the cavity enhances this decrease. Numerically, YALES2 uses level-set method for the descirption of the free-surface, and is able to reproduce air-entrainment phenomenon, free-surface deformations and flow dynamics around the cylinder. The present work expands the range of dimensionless parameters and highlights free-surface effects on drag forces.L'écoulement autour d'un objet partiellement immergé comme une carène ou une pile de pont est une configuration fondamentale au regard de la dynamique de la surface libre. La caractérisation de cet écoulement est essentielle dans des applications environnementales, ou pour des systèmes d'énergies marines renouvelables. De telles structures sont soumises à des efforts de traînée et de portance provenant de l'interaction avec le courant, la houle, et la surface libre. Ce travail s'inscrit dans la compréhension des efforts s'exerçant sur des objets partiellement immergés. Notre problématique est simplifiée en considérant une géométrie cylindrique. Nous présentons des résultats expérimentaux obtenus en canal, où le cylindre est tracté ainsi que des résultats numériques obtenus à l'aide du code YALES2, basé sur la méthode des volumes finis. Le cylindre vertical est partiellement immergé et le sillage généré derrière le cylindre est caractérisé par une déformation de la surface libre. L'écoulement derrière le cylindre est gouverné par les nombres de Reynolds et de Froude, caractérisant l'importance des effets inertiels et gravitaires. Ces nombres sans dimension sont définis à l'aide du diamètre du cylindre. La gamme de vitesse balayée et les diamètres utilisés permettent d'atteindre des nombres de Reynolds jusqu'à 240 000, et des nombres de Froude jusqu'à 2.4 correspondant à un sillage turbulent. L'attention est portée sur les fortes déformations de surface libre allant jusqu'à sa rupture et l'entraînement d'air. En particulier, deux modes d'entrainement d'air ont été observés : (i) dans la cavité le long du cylindre et (ii) dans le sillage du cylindre. La vitesse critique à l'entraînement d'air dans la cavité a été mesurée et son évolution est comparée avec une loi d'échelle proposée par Benusiglio. Nous avons observé l'influence de cet entraînement d'air sur les efforts de traînée grâce à des mesures à l'aide de capteurs piézoélectriques. Nos résultats sont comparés avec des résultats expérimentaux à des Reynolds et Froude inférieurs et des résultats sans surface libre. Une comparaison avec des résultats numériques est également réalisée. La présence de la surface libre et de l'entraînement d'air dans la cavité entraîne une diminution des efforts de traînée par rapport au cas monophasique. Numériquement, le code utilise une méthode level-set pour la description de la surface libre et permet de reproduire les phénomènes d'entraînement d'air, la déformation de la surface libre et la dynamique de l'écoulement autour du cylindre. Ce travail étend la gamme de paramètres adimensionnels parcourus expérimentalement et numériquement, et met en évidence l'effet de l'entrainement d'air sur les efforts de traînée

Caractérisation du rôle de l'Antigène 43 dans le processus de colonisation d'Escherichia coli O157∶H7

Enterohaemorrhagic Escherichia coli (EHEC) O157:H7 are anthropozoonotic agents leading to haemorrhagic colitis and haemolytic-uremic syndrome (HUS). From the ruminants, their natural reservoir, EHEC can contaminate some foodstuffs and consequently infect humans. The presence of extracellular matrix (ECM) components along the food chain could contribute to the colonisation process. Numerous proteins can be present at the bacterial cell surface in EHEC, among them, antigen 43 (Ag43) is secreted by the Type V, subtype a, secretion system (T5aSS) and belongs to the family of self-associating autotransporters (SAATs). These modular proteins, comprising a cleavable N-terminal signal peptide, a surface-exposed central passenger and an outer membrane C-terminal translocator, self-recognise in a Velcro-like handshake mechanism. Ag43 was originally considered as distributed into two subfamilies, namely SF-I and SF-II but phylogenetic network analyses revealed for the first time that it actually distribute into six distinct classes, namely C1 to C6 based on the shuffling of different subdomains within the Ag43 passengers. Regarding prevalence and distribution in Bacteria, agn43 appeared to be essentially present in E. coli with up to 5 copies of the gene present in a single genome and in different combinations of Ag43 classes. Functional analyses of Ag43 C1 to Ag43 C4 revealed that homotypic interactions occurred for all Ag43 classes but Ag43 C3 induced significant differences in the sedimentation kinetics and autoaggregation state. In contrast, heterotypic interactions occurred in a very limited number of cases. In E. coli O157:H7, Ag43 C2 was shown to contribute to bacterial adhesion to collagens I and III and to the autoaggregation. Furthermore in this strain, the latter phenotype appeared to be regulated by the Dam methylase and the OxyR transcriptional regulator. Taken together, these results provide new insights of the diversity of Ag43 as well as its role and regulation in E. coli O157:H7. Thus, Ag43 may represent an important colonisation factor of the food chain by EHEC and other diarrheagenic E. coli.Les Escherichia coli entérohémorragiques (EHEC) O157:H7 sont des agents pathogènes alimentaires entrainant des colites hémorragiques et des syndromes hémolytiques et urémiques (SHU). Depuis le ruminant, le réservoir naturel, les EHEC peuvent contaminer certaines denrées alimentaires et in fine infecter l’Homme. La présence de composants de la matrice extracellulaire (ECM) le long de la chaine alimentaire pourrait participer à leur capacité de colonisation grâce à des protéines de surface bactérienne. Parmi ces protéines, l’antigène 43 (Ag43) est sécrété par le système de sécrétion de Type V, sous-type a (T5aSS) et appartient à la famille des SAAT (self-associating autotransporters). Ces protéines modulaires, composées d’un peptide signal N-terminal clivable, d’un domaine passager central exposé à la surface et d’un translocateur C-terminal membranaire, peuvent s’auto-associer selon un mécanisme de Velcro moléculaire. A l’origine, l’Ag43 était distribué en deux sous-familles SF-I et SF-II mais des analyses phylogénétiques ont révélé pour la première fois qu’il est en réalité distribué en 6 classes différentes nommées C1 à C6, basées sur le réarrangement de différents sous-domaines à l’intérieur du domaine passager de la protéine. Quant à la prévalence et la distribution chez les bactéries, l’agn43 s’est avéré être présent essentiellement chez E. coli avec jusqu’à 5 copies du gène par génome, en différentes combinaisons de classes d’Ag43. Des analyses fonctionnelles des Ag43 C1 à Ag43 C4 ont démontré que des interactions homotypiques survenaient pour toutes les classes mais l’Ag43 C3 présentait des différences significatives de cinétique de sédimentation et d’autoagrégation. L’étude des interactions hétérotypiques entre Ag43 de différentes classes a démontré qu’elles ne se produisaient que dans de rares cas. Chez E. coli O157:H7, l’Ag43 C2 a été démontré comme contribuant à l’adhésion des bactéries aux collagènes I et III et à l’autoagrégation. De plus dans cette souche, ce phénotype s’est avéré être régulé par la méthylase Dam et le régulateur de transcription OxyR. Globalement, ces travaux apportent de nouvelles connaissances concernant la diversité de l’Ag43 et son rôle et sa régulation chez E. coli O157:H7. Ainsi, l’Ag43 pourrait être un important facteur de colonisation de la chaine alimentaire pour les EHEC et les autres E. coli diarrhéiques

Growth of Clathrate Hydrates from Water Drops in Cyclopentane

International audienceClathrate hydrates are icelike crystalline compounds with encaged guest molecules trapped inside the cages of hydrogen bonded water molecules. Their growth is visualized for cyclopentane within water drops of two microliters on glass and poly-tetrafluoroethylene surfaces. The effect of the interfacial tension between water and cyclopentane is measured at different temperatures and for different concentration of an oil-soluble surfactant: sorbitan monooleate (Span 80). The drops experience a temperature sequence where they freeze into ice, form hydrates and melt. Cyclopentane hydrates crystals are affected by the concentration of surfactant. The morphology seen here could be relevant for explaining the behavior of hydrate emulsions