QC 20120613

Ce travail de thèse porte sur l’étude de la dynamique et de la stabilité de structures présentant deux fronts d’ablation dans le cadre de la fusion par confinement inertiel (FCI) en attaque directe. Dans un premier temps, des simulations 1D réalisées avec le code d’hydrodynamique CHIC ont permis d’obtenir ces structures. Pour cela, des plaques planes de matériaux de Z modéré, comme l’aluminium, la silice, le plastique dopé au brome, ainsi que le plastique sont éclairées par laser, à des intensités proches de celles requises pour la FCI. Les effets radiatifs, de par leur contribution dans le bilan d’énergie, modifient alors l’hydrodynamique de la cible : deux fronts d’ablation séparés par un plateau de densité quasi-constante sont observés. La dynamique de telles structures est alors caractérisée de manière qualitative. Une étude du préchauffage du combustible (DT) induit par le rayonnement de ces ablateurs de Z modéré est alors réalisée. Un nouveau modèle théorique, basé sur une hypothèse d’isobaricité au front d’ablation, prend en compte deux mécanismes de transport de l’énergie (transport d’électrons et de photons) et permet de reproduire ces structures en supposant un traitement analytique des opacités de la matière. De plus, ce modèle permet de comprendre les mécanismes physiques qui interviennent dans la formation des structures à double front d’ablation. Le code PERLE, dédié à l’étude de la stabilité hydrodynamique d’écoulements en phase linéaire, est alors modifié pour prendre en compte le transport de photons en utilisant les simplifications du modèle théorique. La deuxième partie de cette thèse porte sur la stabilité hydrodynamique de ces structures à double front d’ablation. Les modèles existants pour les problèmes de stabilité au front d’ablation sont insuffisants : les limites de ces modèles sont montrées, mais des premières informations sur le front d’ablation principal sont néanmoins obtenues. Le code PERLE permet alors de calculer les perturbations linéaires au front d’ablation quand la structure à double front d’ablation entière est considérée. Des taux de croissance pour l’instabilité Rayleigh-Taylor ablative sont obtenus et présentent une nouvelle forme non connue, associée directement à la structure à double front d’ablation. Les calculs 2D réalisés avec le code CHIC et une physique plus réaliste confirment ces résultats. L’étude de la localisation spatiale des perturbations montrent la relation entre la structure à deux fronts d’ablation et la forme caractéristique des taux de croissance. Finalement, l’utilisation d’ablateurs de Z modéré peut être une alternative intéressante pour réduire l’instabilité de Rayleigh-Taylor au front d’ablation en FCI par attaque directe. / This PhD thesis adresses the dynamics and the stability of double ablation fronts structures in direct-drive inertial confinement fusion (ICF). In the first part, these structures have been obtained using the hydrodynamic code CHIC calculations. By irradiating solid targets of moderate Z such as aluminium, silicium, brominated doped plastic, and plastic with ICF like laser intensities, radiative effects become non negligibles and modify the target hydrodynamics. Two ablation fronts separated by a quasi-constant density plateau are then observed. The dynamic of such structures is then qualitatively characterized. The fuel (DT) preheat due to self-emitted radition of such ablators is then studied. A new theoretical model, based on an isobaric approximation in the ablation region allows us to understand the complex physical mecanisms involved in the formation and the dynamics of these structures, using analytical expressions for the opacities. The PERLE code, dedicated to the calculation of linear perturbations of unsteady flows, is then modified to take into account the radiative energy transport, using the hypothesis of the new theoretical model. In the second part of this work, a study of the stability of double ablation fronts structures is carried out. The existing models for the ablation front stability problems are no longer sufficient in this case: their limitations are shown, but, nevertheless, firsts informations on the main ablation front are obtained. Then, the PERLE code is used when the whole double ablation fronts structure is considered. The growth rates for the ablative Rayleigh-Taylor instability are estimated, and show a new shape, unknown up to now. The 2D calculations made with the CHIC code using a more realistic physics confirm these results. The study of the spatial localization of perturbations in the structure shows the relation between the two ablation fronts and the characteristic shape of the growth rates obtained. Finally, the use of such moderate Z ablators is an interesting alternative to reduce the Rayleigh-Taylor instability at the ablation front in direct-drive ICF.

O escoamento de um fluido ao redor de corpos rombudos configura-se em um dos principais problemas da mecânica dos fluidos. As investigações deste fenômeno são baseadas em técnicas analíticas, numéricas e experimentais. Cada abordagem apresenta suas vantagens e desvantagens, sendo impossível a plena caracterização do escoamento através de uma única técnica para a maioria das geometrias de corpo e condições de escoamento. É neste contexto que se insere esta tese, que compreende um estudo fundamental sobre a dinâmica de formação e desprendimento de vórtices baseado em técnicas experimentais. Primeiramente, realiza-se um estudo de estabilidade hidrodinâmica do escoamento em torno de cilindro circular via modelo de Ginzburg-Landau. Os resultados experimentais deste estudo serviram para validar simulações numéricas e a principal técnica experimental utilizada foi a Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV). A decomposição de campos de velocidade em série de Fourier permite verificar a hierarquia sugerida pela solução assintótica da bifurcação de Hopf. Além disso, os resultados também indicam quando a tridimensionalidade passa a ser importante no escoamento. A tridimensionalidade do escoamento está intimamente ligada ao fenômeno de vibração induzida por vórtices (VIV), que exerce efeitos danosos em uma grande quantidade de estruturas sujeitas a escoamentos fluidos. Com o objetivo de suprimir as VIV, realizou-se um estudo paramétrico do supressor do tipo strakes helicoidal, que é bastante empregado na indústria offshore. Verificou-se que os strakes modificam as características tridimensionais da esteira de um cilindro. Apesar da eficiência dos strakes na supressão de VIV, eles possuem algumas limitações inerentes às características hidrodinâmicas do escoamento. Sendo assim, apresenta-se uma técnica que reduz as tridimensionalidades de modo a tornar o escoamento bidimensional, com a possibilidade de controle ativo de malha fechada. O método de controle de camada limite por superfícies móveis (CCLSM) suprime VIV e diminui o arrasto atrasando a separação da camada limite do cilindro através da injeção de quantidade de movimento angular pelos cilindros de controle rotativos. / The fluid flow around bluff bodies is one of the main problems in fluid mechanics. The investigations of this phenomenon are based on analytical, numerical and experimental techniques. Each technique presents advantages and disadvantages, being impossible the comprehensive characterization of the flow though only one technique for the majority of body geometries and flow conditions. Within this context, the present thesis is proposed, which comprehends a fundamental study about the vortex shedding dynamics based on experimental techniques. Firstly, a hydrodynamic stability study of the flow around a circular cylinder is performed using the Ginzburg-Landau model. The experimental results of this study allowed the validation of numerical simulations and the main experimental technique employed was the Particle Image Velocimetry (PIV). The Fourier series decomposition of velocity fields permits to verify the hierarch suggested by the asymptotic solution of the Hopf bifurcation. Additionally, the results also indicate when the three-dimensionalities become important in the flow. The flow three-dimensionality is closely associated to the vortex-induced vibration (VIV) phenomenon, which exerts damaging effects on a great quantity of structures subjected to fluid flows. In order to suppress VIV, it was realized a parametric investigation of the helical strakes, that are commonly employed in the offshore industry. One verifies that the strakes modify the three-dimensional characteristics of the cylinder wake. Despite of the strake efficiency regarding the VIV suppression, the strakes have some limitations that are inherent to the flow hydrodynamic features. Consequently, it is presented a technique that reduces the three-dimensionalities in order to create a two-dimensional flow, with the possibility of closed-loop active control. The moving surface boundary-layer control (MSBC) suppresses VIV and reduces the drag delaying the cylinder boundary-layer separation through the injection of angular momentum by the rotational control cylinders.

O escoamento de um fluido ao redor de corpos rombudos configura-se em um dos principais problemas da mecânica dos fluidos. As investigações deste fenômeno são baseadas em técnicas analíticas, numéricas e experimentais. Cada abordagem apresenta suas vantagens e desvantagens, sendo impossível a plena caracterização do escoamento através de uma única técnica para a maioria das geometrias de corpo e condições de escoamento. É neste contexto que se insere esta tese, que compreende um estudo fundamental sobre a dinâmica de formação e desprendimento de vórtices baseado em técnicas experimentais. Primeiramente, realiza-se um estudo de estabilidade hidrodinâmica do escoamento em torno de cilindro circular via modelo de Ginzburg-Landau. Os resultados experimentais deste estudo serviram para validar simulações numéricas e a principal técnica experimental utilizada foi a Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV). A decomposição de campos de velocidade em série de Fourier permite verificar a hierarquia sugerida pela solução assintótica da bifurcação de Hopf. Além disso, os resultados também indicam quando a tridimensionalidade passa a ser importante no escoamento. A tridimensionalidade do escoamento está intimamente ligada ao fenômeno de vibração induzida por vórtices (VIV), que exerce efeitos danosos em uma grande quantidade de estruturas sujeitas a escoamentos fluidos. Com o objetivo de suprimir as VIV, realizou-se um estudo paramétrico do supressor do tipo strakes helicoidal, que é bastante empregado na indústria offshore. Verificou-se que os strakes modificam as características tridimensionais da esteira de um cilindro. Apesar da eficiência dos strakes na supressão de VIV, eles possuem algumas limitações inerentes às características hidrodinâmicas do escoamento. Sendo assim, apresenta-se uma técnica que reduz as tridimensionalidades de modo a tornar o escoamento bidimensional, com a possibilidade de controle ativo de malha fechada. O método de controle de camada limite por superfícies móveis (CCLSM) suprime VIV e diminui o arrasto atrasando a separação da camada limite do cilindro através da injeção de quantidade de movimento angular pelos cilindros de controle rotativos. / The fluid flow around bluff bodies is one of the main problems in fluid mechanics. The investigations of this phenomenon are based on analytical, numerical and experimental techniques. Each technique presents advantages and disadvantages, being impossible the comprehensive characterization of the flow though only one technique for the majority of body geometries and flow conditions. Within this context, the present thesis is proposed, which comprehends a fundamental study about the vortex shedding dynamics based on experimental techniques. Firstly, a hydrodynamic stability study of the flow around a circular cylinder is performed using the Ginzburg-Landau model. The experimental results of this study allowed the validation of numerical simulations and the main experimental technique employed was the Particle Image Velocimetry (PIV). The Fourier series decomposition of velocity fields permits to verify the hierarch suggested by the asymptotic solution of the Hopf bifurcation. Additionally, the results also indicate when the three-dimensionalities become important in the flow. The flow three-dimensionality is closely associated to the vortex-induced vibration (VIV) phenomenon, which exerts damaging effects on a great quantity of structures subjected to fluid flows. In order to suppress VIV, it was realized a parametric investigation of the helical strakes, that are commonly employed in the offshore industry. One verifies that the strakes modify the three-dimensional characteristics of the cylinder wake. Despite of the strake efficiency regarding the VIV suppression, the strakes have some limitations that are inherent to the flow hydrodynamic features. Consequently, it is presented a technique that reduces the three-dimensionalities in order to create a two-dimensional flow, with the possibility of closed-loop active control. The moving surface boundary-layer control (MSBC) suppresses VIV and reduces the drag delaying the cylinder boundary-layer separation through the injection of angular momentum by the rotational control cylinders.

O escoamento estratificado óleo-água é comum na indústria de petróleo, em particular em poços direcionais e oleodutos. Estudos recentes mostram que o fenômeno de transição de padrões de escoamento de fases separadas pode estar relacionado à estrutura ondulatória da interface do escoamento (problema de estabilidade hidrodinâmica). A transição do padrão estratificado ao padrão estratificado com mistura na interface foi estudada por diversos autores sendo que a física envolvida está clara, e o fenômeno ocorre pelo arrancamento de gotículas da crista da onda interfacial. Técnicas baseadas na análise temporal da estabilidade hidrodinâmica para a proposição de critérios de transição são comumente encontradas na literatura. Entretanto, para certas condições de escoamento, foi observado que o padrão de escoamento estratificado muda ao longo da tubulação. O escoamento adentra a tubulação como estratificado ondulado e alguns diâmetros após a entrada ocorre a transição para o padrão bolhas alongadas. Foi também observado que o ponto no espaço em que o fenômeno ocorre varia com a elevação ou decréscimo das velocidades superficiais das fases. Aparentemente, tal fenômeno ocorre devido a efeitos de tensão interfacial e ângulo de contato. O modelo de dois fluidos unidimensional, a teoria da estabilidade hidrodinâmica linear (análise espacial) e dados experimentais das propriedades da onda interfacial são utilizados para estudo do escoamento, levando a um novo critério de transição em função da velocidade da onda interfacial. O fenômeno de transição espacial do padrão estratificado ocorre fora da região delimitada como estável pela teoria linear; assim, efeitos não lineares são predominantes e uma teoria que leve em consideração tais efeitos se faz necessária. O método das características foi utilizado e buscou-se prever o ponto no espaço em que a transição ocorre. O estudo experimental foi realizado em montagem experimental do Laboratório de Engenharia Térmica e Fluidos; dados experimentais permitiram a obtenção de uma nova carta de fluxo óleo-água e propriedades da onda interfacial. As comparações entre dados e previsões dos modelos são encorajadoras. / The stratified oil-water flow pattern is of common occurrence in the petroleum industry, especially in offshore directional wells and pipelines. Previous studies have shown that the phenomenon of flow pattern transition in stratified flow can be related to the interfacial wave structure (problem of hydrodynamic instability). The transition from stratified flow to stratified with mixture at the interface has been studied by several authors and the physics behind the phenomenon has been already explained, basically by the tearing of droplets from the interfacial wave crest. Techniques based on a temporal analysis of the hydrodynamic stability for the proposition of transition criteria are often found in the literature. However, at certain inlet flow conditions, it was observed that the flow pattern changes along the test line. The flow enters the test line as wavy stratified flow and then, several diameters from the pipe inlet, the transition to elongated-bubbles flow occurs. It was also observed that the location where the transition occurs also changes depending on the phases superficial velocities. It seems that this phenomenon occurs due to interfacial tension and contact angle effects. The one-dimensional two-fluid model, linear stability theory (spatial approach) and experimental data of the interfacial wave properties are used to study the flow and a new transition criterion based on the wave celerity is proposed. The stratified-flow spatial transition occurred outside the region delimitated as stable by the linear theory; so nonlinear effects are prominent. The method of characteristics was used as an attempt to predict the point in space at which the transition occurs. The experimental work was done at the experimental facility of the Thermal-fluids Engineering Laboratory; experimental data allowed a new oil-water flow map and interfacial wave properties were acquired. The agreement between data and prediction is encouraging.

In this thesis direct numerical simulations are used to investigate two phenomenain shear flows: laminar-turbulent transition over a flat plate and periodicvortex shedding induced by a jet in cross flow. The emphasis is on understanding and controlling the flow dynamics using tools from dynamical systems and control theory. In particular, the global behavior of complex flows is describedand low-dimensional models suitable for control design are developed; this isdone by decomposing the flow into global modes determined from spectral analysisof various linear operators associated with the Navier–Stokes equations.Two distinct self-sustained global oscillations, associated with the sheddingof vortices, are identified from direct numerical simulations of the jet incrossflow. The investigation is split into a linear stability analysis of the steadyflow and a nonlinear analysis of the unsteady flow. The eigenmodes of theNavier–Stokes equations, linearized about an unstable steady solution revealthe presence of elliptic, Kelvin-Helmholtz and von K´arm´an type instabilities.The unsteady nonlinear dynamics is decomposed into a sequence of Koopmanmodes, determined from the spectral analysis of the Koopman operator. Thesemodes represent spatial structures with periodic behavior in time. A shearlayermode and a wall mode are identified, corresponding to high-frequency andlow-frequency self-sustained oscillations in the jet in crossflow, respectively.The knowledge of global modes is also useful for transition control, wherethe objective is to reduce the growth of small-amplitude disturbances to delaythe transition to turbulence. Using a particular basis of global modes, knownas balanced modes, low-dimensional models that capture the behavior betweenactuator and sensor signals in a flat-plate boundary layer are constructed andused to design optimal feedback controllers. It is shown that by using controltheory in combination with sensing/actuation in small, localized, regionsnear the rigid wall, the energy of disturbances may be reduced by an order of magnitude.

O escoamento estratificado óleo-água é comum na indústria de petróleo, em particular em poços direcionais e oleodutos. Estudos recentes mostram que o fenômeno de transição de padrões de escoamento de fases separadas pode estar relacionado à estrutura ondulatória da interface do escoamento (problema de estabilidade hidrodinâmica). A transição do padrão estratificado ao padrão estratificado com mistura na interface foi estudada por diversos autores sendo que a física envolvida está clara, e o fenômeno ocorre pelo arrancamento de gotículas da crista da onda interfacial. Técnicas baseadas na análise temporal da estabilidade hidrodinâmica para a proposição de critérios de transição são comumente encontradas na literatura. Entretanto, para certas condições de escoamento, foi observado que o padrão de escoamento estratificado muda ao longo da tubulação. O escoamento adentra a tubulação como estratificado ondulado e alguns diâmetros após a entrada ocorre a transição para o padrão bolhas alongadas. Foi também observado que o ponto no espaço em que o fenômeno ocorre varia com a elevação ou decréscimo das velocidades superficiais das fases. Aparentemente, tal fenômeno ocorre devido a efeitos de tensão interfacial e ângulo de contato. O modelo de dois fluidos unidimensional, a teoria da estabilidade hidrodinâmica linear (análise espacial) e dados experimentais das propriedades da onda interfacial são utilizados para estudo do escoamento, levando a um novo critério de transição em função da velocidade da onda interfacial. O fenômeno de transição espacial do padrão estratificado ocorre fora da região delimitada como estável pela teoria linear; assim, efeitos não lineares são predominantes e uma teoria que leve em consideração tais efeitos se faz necessária. O método das características foi utilizado e buscou-se prever o ponto no espaço em que a transição ocorre. O estudo experimental foi realizado em montagem experimental do Laboratório de Engenharia Térmica e Fluidos; dados experimentais permitiram a obtenção de uma nova carta de fluxo óleo-água e propriedades da onda interfacial. As comparações entre dados e previsões dos modelos são encorajadoras. / The stratified oil-water flow pattern is of common occurrence in the petroleum industry, especially in offshore directional wells and pipelines. Previous studies have shown that the phenomenon of flow pattern transition in stratified flow can be related to the interfacial wave structure (problem of hydrodynamic instability). The transition from stratified flow to stratified with mixture at the interface has been studied by several authors and the physics behind the phenomenon has been already explained, basically by the tearing of droplets from the interfacial wave crest. Techniques based on a temporal analysis of the hydrodynamic stability for the proposition of transition criteria are often found in the literature. However, at certain inlet flow conditions, it was observed that the flow pattern changes along the test line. The flow enters the test line as wavy stratified flow and then, several diameters from the pipe inlet, the transition to elongated-bubbles flow occurs. It was also observed that the location where the transition occurs also changes depending on the phases superficial velocities. It seems that this phenomenon occurs due to interfacial tension and contact angle effects. The one-dimensional two-fluid model, linear stability theory (spatial approach) and experimental data of the interfacial wave properties are used to study the flow and a new transition criterion based on the wave celerity is proposed. The stratified-flow spatial transition occurred outside the region delimitated as stable by the linear theory; so nonlinear effects are prominent. The method of characteristics was used as an attempt to predict the point in space at which the transition occurs. The experimental work was done at the experimental facility of the Thermal-fluids Engineering Laboratory; experimental data allowed a new oil-water flow map and interfacial wave properties were acquired. The agreement between data and prediction is encouraging.

[pt] Escoamentos de fluidos sobre paredes flexíveis se fazem presentes em diversos processos biológicos e industriais. A flexibilidade do sólido permite a propagação de ondas na interface, podendo levar o sistema a se tornar instável mesmo a baixos valores do número de Reynolds. Esta perda de estabilidade provoca uma alteração nas características hidrodinâmicas e na transferência de calor do processo. Os trabalhos disponíveis na literatura se concentram em torno de análise de estabilidade linear e experimentos de determinação de parâmetros críticos. Entretanto estas metodologias não são capazes de descrever o comportamento do sistema após sua desestabilização. Neste trabalho, o regime instável de um escoamento de Couette de um fluido Newtoniano sobre um sólido incompressível e impermeável de MooneyRivlin é estudado numericamente através da solução acoplada das equações de conservação de quantidade de movimento linear transiente de cada meio. O número de Reynolds foi escolhido pequeno o suficiente para afastar a possibilidade de que mecanismos inerciais se façam presentes. Diferentes razões de espessura líquido-sólido flexível foram utilizadas para se determinar os efeitos desta grandeza sobre o processo. O sistema de equações diferenciais foram integradas no espaço pelo método de Galerkinjelementos finitos, e no tempo por diferenças finitas. A necessidade de se utilizar passos de tempo variáveis exigiu o desenvolvimento de uma fórmula específica para a aproximação da derivada segunda presente no termo transiente do sólido. / [en] Fluid flow over flexible wall are present in several biological and industrial processes. The flexibility of the solid body permits the waves propagation along the interface, leading the system to become unstable even at low value of Reynolds number. This loss of stability induce some changes on the hydrodynamic characteristics and on the heat transfer of the process. Works available on literature are concentrated around linear stability analysis and experiments of determining critical parameters. Nevertheless these methodologies are not able of describing the system behavior after the desestabilization. In this work, the unstable regime of a Newtonian fluid Couette flow over an incompressible and impermeable Mooney-Rivlin solid is numerically studied by solving the coupled fluid and solid momentum equation. The Reynolds number has been chosen small enough to avoid the presence of inertial mechanisms. Different liquid-flexible solid thickness ratio were used to determine the effect of this parameter on the problem. The system of differential equations were integrated by Galerki s/finite elements method on space, and by finite differences on time. The necessity of using variables changeables time steps demanded the development of a specific equation to approximates the second material derivative present on the unsteady solid term.