Large spheres motion in a non homogeneous turbulent flow

We investigate the dynamics of very large particles freely advected in a turbulent von Karman flow. Contrary to other experiments for which the particle dynamics is generally studied near the geometrical center of the flow, we track the particles in the whole experiment volume. We observe a strong influence of the mean structure of the flow that generates an unexpected large-scale sampling effect for the larger particles studied; contrary to neutrally buoyant particles of smaller yet finite sizes that exhibit no preferential concentration in homogeneous and isotropic turbulence (Fiabane et al., Phys. Rev. E 86(3), 2012). We find that particles whose diameter approaches the flow integral length scale explore the von Karman flow non-uniformly, with a higher probability to move in the vicinity of two tori situated near the poloidal neutral lines. This preferential sampling is quite robust with respect to changes of any varied parameters: Reynolds number, particle density and particle surface roughness

Do finite size neutrally buoyant particles cluster?

We investigate the preferential concentration of particles which are neutrally buoyant but with a diameter significantly larger than the dissipation scale of the carrier flow. Such particles are known not to behave as flow tracers (Qureshi et al., Phys. Re. Lett. 2007) but whether they do cluster or not remains an open question. For this purpose, we take advantage of a new turbulence generating apparatus, the Lagrangian Exploration Module which produces homogeneous and isotropic turbulence in a closed water flow. The flow is seeded with neutrally buoyant particles with diameter 700\mum, corresponding to 4.4 to 17 times the turbulent dissipation scale when the rotation frequency of the impellers driving the flow goes from 2 Hz to 12 Hz, and spanning a range of Stokes numbers from 1.6 to 24.2. The spatial structuration of these inclusions is then investigated by a Voronoi tesselation analysis, as recently proposed by Monchaux et al. (Phys. Fluids 2010), from images of particle concentration field taken in a laser sheet at the center of the flow. No matter the rotating frequency and subsequently the Reynolds and Stokes numbers, the particles are found not to cluster. The Stokes number by itself is therefore shown to be an insufficient indicator of the clustering trend in particles laden flows

Contributions à la force des structures cohérentes présentes autour d'un cylindre circulaire

Une simulation numérique d'écoulement 2D autour d'un cylindre circulaire est effectuée pour des nombres de Reynolds de 50 à 400. Grâce à la formulation de Wu et al. (JFM 576, 2007), il est possible d'estimer la force à partir d'une intégrale volumique uniquement, dans un petit domaine fluide autour du cylindre n'englobant pas les tourbillons détachés du sillage. Deux structures du domaine fluide sont séparées via le laplacien de vorticité, les couches de vorticité et la zone de recirculation ; les contributions de ces structures à la force sont étudiées en fonction du nombre de Reynolds

Estimation des forces aérodynamiques sur un corps 3D par une analyse volumique des structures tourbillonnaires

L'étude porte sur une approche novatrice de la détermination des forces aérodynamiques sur un obstacle dans un écoulement consécutive à une nouvelle forme du bilan de quantité de mouvement exprimant les forces en un terme volumique prépondérant et un autre sur le contour du domaine. Par une analyse fine des structures au voisinage d'un corps 3D en dérapage et à l'aide de ce bilan il est ainsi possible d'estimer les forces et les contributions nettes de chaque structure à ces forces

Characterizing flows with an instrumented particle measuring Lagrangian accelerations

We present in this article a novel Lagrangian measurement technique: an instrumented particle which continuously transmits the force/acceleration acting on it as it is advected in a flow. We develop signal processing methods to extract information on the flow from the acceleration signal transmitted by the particle. Notably, we are able to characterize the force acting on the particle and to identify the presence of a permanent large-scale vortex structure. Our technique provides a fast, robust and efficient tool to characterize flows, and it is particularly suited to obtain Lagrangian statistics along long trajectories or in cases where optical measurement techniques are not or hardly applicable.Comment: submitted to New Journal of Physic

Méthodes analytiques de caractérisation des structures cohérentes contribuant aux efforts aérodynamiques

The link between the fluid force applied on a body and the coherent structures is obvious ; however there is no direct relationship between each structures and their contribution to the force. This issue is divided into two main parts : first the definition of a force density, and then a definition of coherent structures adapted to the force density definition. We show that the force formulation must not include any pressure term in order to characterize the coherent structures in a fluid domain ; moreover the contribution on the domain boundary must be negligible. We study two formulations of the force in details and show that the diffusive formulation, using an impulse of vorticity laplacian, is the only one able to give a real volume definition of the force. Using this formulation on a 2D flow around a cylinder in the von Kármán regime, we study the contributions to the force of two flow parts defined with the vorticity laplacian : the vortex layers and the back-flow region. The first are found to capture the viscous force, while the latter captures the interaction effects between the cylinder, the vortex layers and the roll-up. It is interesting to observe that the domain used to calculate the force does not include the wake ; the force density captures their influence through the induced vorticity near the base of the cylinder. The 3D application of the diffusive formulation needs a very accurate calculation of the vorticity laplacian, especially near the wall. We show that this method cannot be easily applied on complex flows with the current numerical solvers.Le lien entre la force fluide s'appliquant sur un obstacle et les structures cohérentes est évident ; il n'existe pourtant pas de relation quantitative entre chaque structure de l'écoulement et la force qu'elle produit. Nous étudions cette problématique selon deux grands axes : d'abord la définition d'une densité volumique d'effort, puis une définition des structures cohérentes adaptée à cette densité de force. Nous montrons que pour caractériser les structures cohérentes dans un domaine englobant un obstacle, la formulation utilisée ne doit pas faire apparaître de terme de pression et ne doit pas comporter d'information sur les contours du domaine. Nous étudions plus précisément deux formulations de la force et montrons que seule la formulation diffusive faisant intervenir une impulsion du laplacien de vorticité est adaptée à un calcul volumique des efforts. En appliquant cette formulation à un écoulement 2D autour d'un cylindre dans le régime de von Kármán, nous pouvons ensuite étudier les contributions à la force de deux parties de l'écoulement définies à partir du laplacien de vorticité : les couches de vorticité et la zone de recirculation, dans un domaine restreint autour du cylindre. Les couches de vorticité captent ainsi les effets visqueux, tandis que la zone de recirculation capte les effets de l'enroulement des couches limites en tourbillons. Il est intéressant de noter que la zone de recirculation n'englobe pas les tourbillons développés du sillage, l'influence de ces tourbillons étant en fait captée par la densité de force dans une petite zone en aval du cylindre. L'application 3D de la formulation diffusive nécessite une très bonne définition de la vorticité dans la zone proche paroi, et nous montrons que cette approche ne peut pas encore être facilement mise en oeuvre sur des géométries complexes avec les moyens numériques actuels

Protection localisée par flux d’air

National audienceLa protection localisée d’ambiance par flux d'air consiste à préserver des éléments de toute contamination aéroportée lorsque l’usage de barrières solides n’est pas envisageable. La difficulté réside dans le maintien de la barrière contre la contamination, à l’interface entre la zone à protéger et l’ambiance, malgré des perturbations courantes ou exceptionnelles qui viennent affecter sa stabilité ou simplement la briser. Cet article présente les principes physiques qui sont à la base de la protection localisée, et illustre par des exemples concrets sa mise en œuvre

Protection localisée par flux d’air

National audienceLa protection localisée d’ambiance par flux d'air consiste à préserver des éléments de toute contamination aéroportée lorsque l’usage de barrières solides n’est pas envisageable. La difficulté réside dans le maintien de la barrière contre la contamination, à l’interface entre la zone à protéger et l’ambiance, malgré des perturbations courantes ou exceptionnelles qui viennent affecter sa stabilité ou simplement la briser. Cet article présente les principes physiques qui sont à la base de la protection localisée, et illustre par des exemples concrets sa mise en œuvre

Méthodes analytiques de caractérisation des structures cohérentes contribuant aux efforts aérodynamiques

en français : Le lien entre la force uide s'appliquant sur un obstacle et les structures cohérentes est évident ; il n'existe pourtant pas de relation quantitative entre chaque structure de l'écoulement et la force qu'elle produit. Nous étudions cette problématique selon deux grands axes : d'abord la dé nition d'une densité volumique d'effort, puis une dé nition des structures cohérentes adaptée à cette densité de force. Nous montrons que pour caractériser les structures cohérentes dans un domaine englobant un obstacle, la formulation utilisée ne doit pas faire apparaître de terme de pression et ne doit pas comporter d'information sur les contours du domaine. Nous étudions plus précisément deux formulations de la force et montrons que seule la formulation diffusive faisant intervenir une impulsion du laplacien de vorticité est adaptée à un calcul volumique des efforts. En appliquant cette formulation à un écoulement 2D autour d'un cylindre dans le régime de von Kármán, nous pouvons ensuite étudier les contributions à la force de deux parties de l'écoulement dé nies à partir du laplacien de vorticité : les couches de vorticité et la zone de recirculation, dans un domaine restreint autour du cylindre. Les couches de vorticité captent ainsi les effets visqueux, tandis que la zone de recirculation capte les effets de l'enroulement des couches limites en tourbillons. Il est intéressant de noter que la zone de recirculation n'englobe pas les tourbillons développés du sillage, l'in uence de ces tourbillons étant en fait captée par la densité de force dans une petite zone en aval du cylindre. L'application 3D de la formulation diffusive nécessite une très bonne dé nition de la vorticité dans la zone proche paroi, et nous montrons que cette approche ne peut pas encore être facilement mise en oeuvre sur des géométries complexes avec les moyens numériques actuels.en anglais : The link between the uid force applied on a body and the coherent structures is obvious ; however there is no direct relationship between each structures and their contribution to the force. This issue is divided into two main parts : rst the de nition of a force density, and then a de nition of coherent structures adapted to the force density de nition. We show that the force formulation must not include any pressure term in order to characterize the coherent structures in a uid domain ; moreover the contribution on the domain boundary must be negligible. We study two formulations of the force in details and show that the diffusive formulation, using an impulse of vorticity laplacian, is the only one able to give a real volume de nition of the force. Using this formulation on a 2D ow around a cylinder in the von Kármán regime, we study the contributions to the force of two ow parts de ned with the vorticity laplacian : the vortex layers and the back- ow region. The rst are found to capture the viscous force, while the latter captures the interaction effects between the cylinder, the vortex layers and the roll-up. It is interesting to observe that the domain used to calculate the force does not include the wake ; the force density captures their in uence through the induced vorticity near the base of the cylinder. The 3D application of the diffusive formulation needs a very accurate calculation of the vorticity laplacian, especially near the wall. We show that this method cannot be easily applied on complex ows with the current numerical solvers.PALAISEAU-Polytechnique (914772301) / SudocSudocFranceF

Lagrangian diffusion properties of the wake behind a cylinder using time-resolved particle tracking velocimetry

International audienceIn the present study, we investigate the computation of the Lagrangian second-order structure-function to characterise the multiscale dynamics of turbulence from measured particle trajectories. We performed time-resolved three-dimensional particle tracking velocimetry (4D-PTV) to study the anisotropic and inhomogeneous flow field of the wake behind a cylinder at a Reynolds number equal to 3900. We performed Lagrangian statistical analysis on nearly 12000 trajectories for 4000 time steps