Cette thèse présente les résultats d'une étude expérimentale et théorique sur la stabilité non-linéaire des écoulements hydrodynamiques en rotation différentielle. Une analyse de mesures antérieures à ce travail effectuées dans des expériences de laboratoire de type Couette-Taylor nous a permis de dériver un critère de stabilité ainsi qu'une prescription du type viscosité turbulente pour le transport du moment cinétique. L'étude expérimentale complémentaire que nous avons menée nous a permis de mettre en évidence des régimes de rotation instables vis à vis de perturbations aux amplitudes finies, qui demeuraient jusqu'a maintenant inexplorés. Nous présentons également quelques propriétés des écoulements moyens turbulents ainsi que des fluctuations de vitesse, en particulier leur évolution en fonction du nombre de Reynolds. Par des arguments physiques simples, nous dérivons des paramètres de stabilité, des lois d'évolution des fluctuations turbulentes, ainsi qu'une expression de la viscosité turbulente compatible avec notre première prescription. Finalement, nous concluons par une application de cette viscosité à un modèle simple de disques d'accrétion.

Mixing is a common feature of stratified fluids. In stratified fluids the density varies with the height. This is true for the most fluids in geophysical environments, like lakes, the atmosphere or the ocean. Turbulent mixing plays a crucial role for the overall energy budget of the earth and has therefore an huge impact on the global climate. By introducing the mixing efficiency, it is possible to quantify mixing. It is defined as the ratio of gain of potential energy to the injection of mechanical energy. In the ocean energy provided by tidal forces leads to turbulence and thus highly dense water is lifted up from the deep sea to the surface. For this process, a mixing efficiency of 0.2 is estimated. Until now it is not completely understood how this high value can be achieved. Thus we measured the mixing efficiency by using a Couette-Taylor system, which can produce steady-state homogeneous turbulence. This is similar to what we find in the ocean. The Couette-Taylor system consists of two concentric cylinders that can be rotated independently. In between a stratified fluid is filled using salt as a stratifying agent. In the laboratory experiment, we obtained mixing efficiencies in the order of 0.001 as a result. Moreover we found that the mixing efficiency decreases with decreasing stratification like previous laboratory experiments have shown. As this value is two orders of magnitude smaller than what we find in the ocean, further studies will be necessary. / text

L’écoulement entre deux cylindres coaxiaux, appelé l’écoulement de Couette-Taylor, a été étudié lorsque le cylindre intérieur tourne. Quatre dispositifs ont été utilisés avec différentes tailles d’entrefer. Les visualisations montrent l’évolution des motifs avec le nombre de Reynolds, Re. La variation du couple sur le cylindre intérieur a été déterminée en utilisant le pseudo-nombre de Nusselt, qui est une mesure du taux de dissipation d’énergie.Pour des faibles valeurs de Re, l’écoulement est laminaire et azimutal, et le couple est proportionnel à Re. Au-delà d’une valeur critique de Re, les rouleaux de Taylor apparaissent et la pente de variation du couple change brutalement. Pour de grandes valeurs de Re, les rouleaux deviennent turbulents et la pente du couple augmente à cause de la dissipation d’énergie turbulente. Le couple a été mesuré jusqu’à Re=45.000 et montre une dépendance avec le rapport de rayons des cylindres et du nombre de vortex. Avant le régime ultime de la turbulence, les états avec plus de rouleaux présentent un couple plus grand et la situation est inversée dans le régime ultime.Une étude du couple agissant sur le cylindre intérieur a été menée en présence d’un liquide viscoélastique contenant des polymères de grande masse molaire. En appliquant des cycles d’accélération-décélération de la rotation du cylindre intérieur, le couple présente une boucle d’hystérèse dont l’aire augmente avec la concentration de polymère. Les statistiques des fluctuations de la turbulence élastique ont été analysées. Le couple exercé par les vortex solitaires obtenus lors de la phase de décélération, avant la relaminarisation complète de l’écoulement, a été étudié. / The flow between two concentric cylinders, i.e., the Couette-Taylor flow, has been investigated when only the inner cylinder rotates. Four set-ups have been employed with 4 values of the radius ratio. Flow visualisations have been performed to analyse the evolution of the flow patterns with the Reynolds number, Re. The variation of the torque acting on the inner cylinder with different parameters has been quantified using the pseudo-Nusselt number, which measures the rate of energy dissipation in the flow.At low Re, the flow is laminar and azimuthal, and the torque is proportional to Re. Above a critical value of Re, Taylor vortices emerge in the flow and the slope of the torque changes drastically. At high values of Re, the vortices become turbulent and the increase rate of torque is enhanced due to the energy dissipation of turbulence. The torque measured up to Re=45 000 depends on the radius ratio of the cylinders and on the number of vortices. Below the ultimate regime of turbulence, flows containing larger number of vortices exert larger levels of torque; above it, flows containing larger number of vortices exert lower levels of torque.A specific study of the torque exerted on the inner cylinder has been carried out with viscoelastic fluids made of large-weight-molecule polymers. If acceleration-deceleration cycles of the rotation of the inner cylinder are applied, the torque exhibits a hysteretic loop, which increases with the polymer concentration. The statistics of the elastic turbulence fluctuations have been analysed. A special focus was made on the torque induced by the solitary vortices obtained in the deceleration phase, before the flow relaminarisation.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:58:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FernandoNS_DISSERT.pdf: 5044327 bytes, checksum: 66e88407297dda873c6a6d882b6de312 (MD5) Previous issue date: 2012-08-27 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / A batch of eighty-four coupons of low carbon steel were investigated at laboratory conditions under a corrosive, cavitative-corrosive (CO2) and corrosive-erosive (SiO2 + CO2) in an aqueous salt solution and two levels of temperature. The following measurements were made on Vickers (HV0,05, HV0,10, HV0,20) Microhardness tests at three levels of subsurface layer. A turbulent flow collided on the cylindrical sample, with and without mechanical stirring and gas bubbling, with and without fluid contamination by solid particles of SiO2, at two temperatures. Surface Roughness and Waviness, under two conditions "as received, after machining" and "after worn out", as well as gravimetric and electrochemical parameter were measured on the two opposite generatrices of each cylindrical sample, on the flow upstream (0?) and downstream (180?) by Profilometry, Mass Variation and Linear Polarization Resistance (LPR). The results of the Microhardness and Surface Texture of all coupons were subjected to statistical comparison, using the software Statgraphics? Centurion XVI, 95% statistical certainty, and significant differences were observed in some arrays of measurements. The corrosive wear rate measured by LPR and mass variation shown to be sensitive to the presence of bubbles and hydrodynamic fluctuations inside the cell, considering the temperature and contamination of corrosive fluid by solid particles. The main results of visual inspection relative to some topologies of the surface damages involving different mechanisms that were seen to give explanation for some fluctuations in wear rates of the steel experimentally investigated / Um lote de oitenta e quatro corpos-de-prova (CP) de a?o AISI 1018 foi investigado em laborat?rio sob solicita??es corrosivas, cavitativo-corrosivas (CO2) e erosivocorrosivas (SiO2+CO2) em meio aquoso salino e a duas temperaturas. Foram realizados ensaios de microdureza Vickers a tr?s n?veis de subsuperf?cie (HV0,05, HV0,10, HV0,20). Um fluxo agitado colidiu contra os CPs, em todas as condi??es de ensaio, sem e com agita??o mec?nica e borbulhamento de g?s, sem e com contamina??o do fluido por part?culas s?lidas de SiO2, nas duas temperaturas estudadas. A rugosidade e ondula??o superficial, nas condi??es como recebidos, ap?s usinagem e ap?s desgastados , bem como medi??es gravim?tricas e eletroqu?micas foram realizadas em duas geratrizes opostas de cada corpo-deprova, a montante (0?) e a jusante (180?), atrav?s das t?cnicas de perfilometria, varia??o m?ssica e resist?ncia de polariza??o linear (RPL). Os resultados da microdureza e da textura superficial em todos CPs foram submetidos ? compara??o estat?stica, utilizando-se o software Statgraphics? Centurion XVI e, com 95% de certeza estat?stica, diferen?as significativas foram observadas em alguns grupos de medidas. As medidas das taxas de desgaste corrosivo, por RPL e por varia??o m?ssica, demonstraram serem sens?veis ? presen?a de bolhas e ?s flutua??es hidrodin?micas no interior da c?lula, consideradas a temperatura e a contamina??o do fluido corrosivo por part?culas s?lidas. Apresentam-se, tamb?m, os principais resultados da inspe??o visual em que se evidenciam algumas topologias do dano superficial nas geratrizes a 0? e a 180?, involvendo diferentes mecanismos que foram presenciados, para justificar algumas flutua??es nas taxas de desgaste do a?o em estudo

Cette thèse est consacrée à la vérification de l'analogie entre l'instabilité viscoélastique (VEI) et l'instabilité magnéto-rotationnel (MRI) dans un écoulement képlérien, afin de mieux comprendre le transport du moment dans les disques d'accrétion. Le discriminant de Rayleigh élasto-rotationnel est établi pour clarifier le rôle de l'élasticité dans le VEI. L'analyse de stabilité linéaire (LSA) avec le modèle d’Oldroyd-B est effectuée pour prédire les paramètres critiques des modes viscoélastiques. Il fait apparaître également l'influence de l'élasticité, la viscosité polymérique et d'autres paramètres de contrôle pour le VEI. Des expériences bien contrôlées avec des solutions aqueuses de polyoxyéthylène (POE) et de polyéthylène glycol (PEG) sont effectuées. Nous avons observé le mode stationnaire axisymétrique supercritique avec des solutions de faible élasticité et modes désordonnés sous-critiques avec des solutions de grande élasticité. Les formes et les valeurs critiques de ces modes sont en bon accord avec les prédictions théoriques de LSA. Selon l'analogie, le mode axisymétrique stationnaire est probablement l'analogue de MRI standard, tandis que le mode désordonné est probable que l'analogue de MRI hélicoïdale. La thèse contient aussi des résultats théoriques expérimentaux sur quatre autres régimes de rotation et un cas de limite d'élasticité infinie. / This thesis is devoted to the verification of the analogy between the viscoelastic instability (VEI) and the magnetorotational instability (MRI) in a Keplerian flow, in order to get better understanding of the momentum transportation in accretion disks.The elasto-rotational Rayleigh discriminant is deduced to clarify the role of the elasticity in the VEI. The linear stability analysis (LSA) with Oldroyd-B model is performed to predict critical parameters of viscoelastic modes, and it reveals the influence of the elasticity, polymer viscosity on the VEI. Experiments with well controlled aqueous solutions of polyoxyethylene (POE) and polyethylene glycol (PEG) are conducted. We have observed supercritical stationary axisymmetric mode with solutions of small elasticity and subcritical disordered modes with solutions of large elasticity. Both the flow patterns and the critical values of these modes are in good agreement with the LSA predictions. According to the analogy, the stationary axisymmetric mode is likely the analog of the standard MRI while the disordered mode is likely the analog of the helical MRI. The thesis contains also theoretical and experimental results with four other rotation regimes and the limit case of infinite elasticity.