Cette thèse porte sur l’étude expérimentale de la réduction de traînée par injection de bulles. Le contexte de l’étude est lié à la propulsion navale. Les bulles peuvent, lorsqu’elles sont injectées dans la couche limite en développement le long des carènes de navires, contribuer à réduire significativement la résistance de frottement, en allégeant d’une part le fluide le long de la coque et d’autre part en interagissant avec les structures turbulentes de proche paroi. La configuration expérimentale retenue pour cette étude est l’écoulement de Taylor-Couette, avec cylindre extérieur fixe et injection de bulles calibrées. Nos investigations portent sur les régimes de transition, de turbulence naissante et turbulent avec persistance des cellules de Taylor (Re≤20.104). La taille des bulles varie avec le capillaire et le mélange utilisés, entre 0,05 et 0,12 fois la largeur de l’entrefer. Une méthode originale de suivi de la phase dispersée dans un plan méridien, couplée à des mesures de couple global appliqué au cylindre intérieur ont permis de mettre en évidence deux régimes de réduction de traînée et plusieurs types d’arrangements des bulles, en fonction de leur taille et du nombre de Reynolds. Les bulles peuvent avoir une trajectoire glissante, oscillante, être capturées par les cellules de Taylor ou en proche paroi du cylindre intérieur dans les zones de jets sortants. La caractérisation par PIV des vitesses de la phase liquide en monophasique et diphasique a permis d’étudier les modifications induites par les bulles sur la phase liquide et de discuter des mécanismes impliqués dans la modification du couple global par la présence des bulles. Il ressort de cette étude que pour les nombres de Reynolds en deçà de la capture, les bulles contribuent à stabiliser l’écoulement en accord avec une réduction du couple visqueux pouvant atteindre -30% pour des taux de vide très faible (< 1%). Pour des nombres de Reynolds plus élevés, la capture dans les cellules conduit à une réduction de la longueur d’onde axiale et une augmentation de la vorticité des cellules, associée à une augmentation des vitesses rms. Cette configuration est favorable à une augmentation du couple visqueux. A l’inverse, la capture des bulles dans le jet sortant conduit à une augmentation de la longueur d’onde axiale, associée à une diminution de la vorticité. Cette configuration est favorable à une réduction du couple visqueux, moins marquée qu’en absence de capture. / This work presents experimental study of drag reduction by injection of bubbles. Injection of bubbles into the developing boundary layer along the hulls of ships could help to reduce significantly the frictional resistance by lowering a fluid along the hull and interacting with the near-wall turbulent structures. We investigate the interactions between bubbles, the coherent motion and the viscous torque in a Taylor-Couette flow for outer cylinder at rest, while bubbles are injected constantly through a needle. The Reynolds number ranges up to Re≤20.104, for these values of the Reynolds number, Taylor vortices are persistent leading to an axial periodicity of the flow. Bubbles size varies between 0.05 and 0.12 times the width of the gap, depending on the needle and the liquid used. An original method for tracking bubbles in a meridian plane coupled with measures of overall torque applied to the inner cylinder helped to highlight two regimes of drag reduction and various types of arrangements of bubbles, depending on their size and Reynolds number. Bubbles could have a sliding motion, wavering, be captured by the Taylor cells or in the outflow areas near the inner cylinder. Characterization of the liquid velocity by PIV both in single phase and two-phase flow helped to study the modifications induced by the bubbles on the liquid phase and to discuss about the mechanisms involved in the changes induced by the bubbles in the overall torque. The study show that for the Reynolds number before the capture, bubbles could help to stabilize the flow in agreement to the reduction of the viscous torque up to -30% for lowest void fraction (<1%). For the Reynolds number after the capture, bubbles trapped by the Taylor cells lead to a reduction of the axial wavelength and increasing of the vorticity of the cells, associated to an increasing of the rms. This configuration leads to an increasing of the viscous torque. However, bubbles trapped in the outflow areas near the inner cylinder lead to an increasing of the axial wavelength, associated to a decreasing of the vorticity. The configuration supports a smaller reduction of the viscous torque than in the case without captured.

An adjustable systemic-pulmonary artery (SPA) shunt is being developed that consists of apolytetrafluoroethylene (PTFE) graft with a screw plunger mechanism. This device would allowfull control of flow through SPA shunts used to augment pulmonary blood flow in neonates bornwith single ventricle physiology. The objective of this study is to evaluate the changes this mechanismhas on flow fields for a 4 mm and 5 mm adjustable SPA shunt. Two in vitro models wereexamined; an idealized model with an axisymmetric constriction and a model developed from 3-Dreconstruction of the actual shunt under asymmetric constriction. These models were used to measurethe instantaneous velocity and vorticity fields using Particle Image Velocimetry (PIV) underboth steady and pulsatile flow conditions. Recirculation regions and maximum values of velocity,vorticity, and shear stress are compared between the 4 mm and 5 mm models. The results indicatethat for the idealized model of both shunts, separation regions are much smaller, persistingfor approximately 0-1.75 diameters downstream of the constriction, while for the realistic modelsseparation regions of 2.5 diameters downstream were observed. Additional models of a 4 mm and5 mm shunt were tested under pulsatile conditions matching Re of 1061 and 849 and a Womersleynumber of 4.09 and 5.12, respectively, as seen in vivo. The maximum shear rates observed in bothshunts are within an allowable range without inducing platelet aggregation or hemolysis. However,regions of reverse flow exist distal to the throat, leading to possible concerns of plaque formation.Further in vivo testing will be needed to address this concern. This work is part of an extensiveeffort in developing a completely implantable adjustable systemic-pulmonary artery shunt.

A model of a gas turbine blade cooling channel equipped with turbulators and a backward facing step geometry was examined. Up to four turbulators oriented cross-stream and inclined 45° to the flow direction were mounted in the channel. The blockage ratio b/H of the turbulators and the height h/H of the backward facing step was 0:125 and 0:14 respectively. The number of turbulators as well as their size was varied. In a preliminary investigation, hot-wire and pressure measurements were taken for three different Reynolds numbers (5,000, 12,000, 18,000)in the center plane of the test section. Subsequently, particle image velocimetry (PIV) measurements were made on the same geometries. Results of PIV measurements for a Reynolds number range of Reb=600 to 5,000 for the turbulators and Reh=1,500 to 16,200 for the backward facing step are presented, where Reynolds numbers are based on turbulator height b and step height h, respectively. Plots of the velocity field, vorticity, reverse flow probability and RMS velocity are shown. The focus is on the steady flow behavior but also the unsteadiness of the flow is discussed in one section. Also reattachment lengths were obtained and compared among the various turbulator arrangements and the backward facing step geometry. It was found that the flow becomes periodic after three or four ribs. For one turbulator, a very large separation region was observed. The magnitude of the skin friction factor was found to be the highest for two ribs. If the first rib is replaced by a smaller rib, the skin friction factor becomes the lowest for this case. Compared to the backward facing step, the flow reattaches earlier for multiple turbulators. A dependency of reattachment length on Reynolds number was not observed.

The flow field around a low pressure turbine blade is examined using smoke-wire flow visualization, static surface pressure measurements, and particle image velocimetry (PIV). The purpose of the experimental study is to investigate the transition and separation characteristics on low pressure turbine blades under low Reynolds number (Re) and varying freestream turbulence intensity (FSTI). A cascade model consisting of 6 Pratt andamp; Whitney PAK-B low pressure turbine blades was examined in a wind tunnel using PIV and flow visualization. Smoke-wire visualization was performed for test section exit angles of 93°, 95°, and 97°, in the range Re = 3 · 104 to 9 · 104 and three levels of FSTI varied with a passive grid. The locations of separation and transition were determined to be approximately 45% and 77% of the suction surface length, respectively, based upon the smoke stream lines observed in the images, and appear to be independent of Re, turning angle, and FSTI. The maximum size of the separation bubble was found to decrease with increasing Re, turning angle, and FSTI. PIV images from three camera views were processed for an exit angle of 95° and a Re range of 3:0 · 104 to 30:0 · 104 and three levels of FSTI. Velocity, vorticity, and reversed flow probability field plots were generated along with velocity, vorticity, and RMS velocity profiles. The point of separation point was determined to be from 63% SSL to 67% SSL. The area of reversed flow was computed for each image pair from camera views 1 and 3, as an approxiamtion of the relative size of the separation region. For low Re and FSTI cases the area was much larger than for higher FSTI cases at any Re. The raw PIV images include some of the rst clear pictures of the turbulent flow structures forming in the unsteady shear layer over the suction surface of low pressure turbine blades. Several movies are compiled that show how the geometry and location of the shear layer evolve in time for a given set of flow conditions.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第24253号 / エネ博第451号 / 新制||エネ||84(附属図書館) / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー変換科学専攻 / (主査)教授 川那辺 洋, 教授 林 潤, 教授 澄川 貴志 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DFAM

Für die Untersuchung von Luft/Wasser-Strömungen wurde ein horizontaler Acrylglas-Kanal mit rechteckigem Querschnitt gebaut. Der Kanal ermöglicht Gleich- und Gegenstrom-Versuche bei Atmosphärendruck, insbesondere die Untersuchung der Schwallströmung. Es wurden optische Messungen mit einer Hochgeschwindigkeits-Kamera durchgeführt, die durch synchronisierte dynamische Druckmessungen ergänzt wurden. Für die Analyse der Bilder wurde eine Methode zur Erfassung der Phasengrenze entwickelt und diese anhand möglicher Anwendungen getestet. Die Druckmessungen zeigten, dass der Druck bei Schwallströmungen um einige Kilopascal ansteigt und wieder abfällt, sobald der Schwall aus dem Kanal austritt. Zudem wurden Geschwindigkeiten in der flüssigen Phase mittels nicht invasiver Verfahren gemessen. Das durchschnittliche Geschwindigkeits-Profil am Kanaleintritt wurde mit Ultraschall-Köpfen bestimmt. Die Ermittlung des Geschwindigkeitsfeldes in einem Schwall erfolgte mit PIV (Particle Image Velocimetry).

Für die Untersuchung von Luft/Wasser-Strömungen wurde ein horizontaler Acrylglas-Kanal mit rechteckigem Querschnitt gebaut. Der Kanal ermöglicht Gleich- und Gegenstrom-Versuche bei Atmosphärendruck, insbesondere die Untersuchung der Schwallströmung. Es wurden optische Messungen mit einer Hochgeschwindigkeits-Kamera durchgeführt, die durch synchronisierte dynamische Druckmessungen ergänzt wurden. Für die Analyse der Bilder wurde eine Methode zur Erfassung der Phasengrenze entwickelt und diese anhand möglicher Anwendungen getestet. Die Druckmessungen zeigten, dass der Druck bei Schwallströmungen um einige Kilopascal ansteigt und wieder abfällt, sobald der Schwall aus dem Kanal austritt. Zudem wurden Geschwindigkeiten in der flüssigen Phase mittels nicht invasiver Verfahren gemessen. Das durchschnittliche Geschwindigkeits-Profil am Kanaleintritt wurde mit Ultraschall-Köpfen bestimmt. Die Ermittlung des Geschwindigkeitsfeldes in einem Schwall erfolgte mit PIV (Particle Image Velocimetry).

Cette thèse présente une étude expérimentale du problème de mélange dans les fluides complexes, étude menée en partenariat avec l’entreprise Sanofi Pasteur. Le mélange est un acte des plus fréquents dans la vie courante et aussi dans l’activité industrielle. On trouve dans la littérature de nombreuses études s’intéressant aux cuves de mélange pour en améliorer les performances à partir d’observations faites à grande échelle. Par contre, à notre connaissance, il y a peu de recherche sur l’hydrodynamique du mélange dans les fluides complexes. Dans notre travail, on étudie des fluides non-Newtoniens formés de solutions diluées de polymères caractérisés par leurs propriétés rhéofluidifiante et viscoélastique. Il s’agit de solutions aqueuses de Polyacrylamide (PAA) ou de la gomme de Xanthan (XG). Afin d’identifier la différence de comportement avec les fluides Newtoniens, une étude expérimentale avec de l’eau est effectuée dans les mêmes conditions que celles pour les fluides non-Newtoniens. Cette étude a été menée, en premier, sur un modèle réduit d’une cuve de mélange de Sanofi Pasteur. Les résultats obtenus, non représentés dans ce mémoire de thèse, nous ont amenés à mettre en place une étude fondamentale de l’écoulement dans un mélangeur de géométrie plus simple. Il s’agit alors de pouvoir contrôler les conditions initiales et de s’affranchir des effets secondaires de l’agitation pour ne s’intéresser qu’au mélange. Pour cela, la géométrie retenue est celle d’un mélangeur en T avec deux entrées perpendiculaires. L’exploration en 2D des champs de vitesse et de concentration de scalaire dans cette jonction en T est assurée simultanément aux moyens des techniques optiques (PIV et PLIF). Les observations montrent un effet non négligeable sur l’hydrodynamique et le mélange lié à la présence de polymères dans l’écoulement. De plus, les résultats obtenus permettent de calculer la tension de Reynolds uv et les flux de masse vc et uc. Ils seront utilisés par la suite pour vérifier leur conformité avec le modèle k epsilon couramment utilisé dans l’industrie. / This thesis presents an experimental study of the mixing in complex fluids which is conducted in partnership with Sanofi Pasteur. The mixture is one of the most common act in everyday life and also in industrial activities. We found in the literature many studies focusing on the mixing tanks with objective to improve performance based on observation of large scale. By cons, in our knowledge, there is few or no research on the hydrodynamics of a mixture in complex fluides. In our work, we study non-Newtonian fluids formed of diluted solution of polymer which characterized by their viscoelastic and shear thinning properties. We used in this study aqueous solutions of polyacrylamide (PAA) or xanthan gum (XG). To identify the difference in behavior with Newtonian fluid, an experimental study with water is carried out under the same conditions as those non-Newtonian fluids. At first, this study was on a reduced mixing tank of Sanofi Pasteur. The results, which not shown in this thesis, led us to develop a fundamental study of flow in a mixer with a simple geometry. The objective is to be able to control the initial conditions and to avoid the side effects of agitation to focus on the mixture. For this, we chose a mixer in a T shape with two perpendicular inputs. Exploring 2D velocity and scalar concentration fields in this T-junction is provided simultaneously of optical techniques (PIV and PLIF). Observations show a significant effect on the hydodynamic and mixture related to the presence of polymers in the flow. In addition, results are used to calculate the Reynolds stress uv and the scalar flux vc and uc. They will be used to check their compliance with the k epsilon model that commonly used in industry.

La présente étude s'intéresse à un écoulement d'acoustic streaming, c'est-à-dire un écoulement généré par la propagation d'une onde acoustique dans un fluide. Le travail consiste à comparer deux approches: expérimentale et numérique. Les ultrasons sont émis à 2MHz par un transducteur piézo-électrique de 28.5mm de diamètre. Ce dernier est plongé dans une cuve d'eau équipée de deux parois absorbantes: l'une sert à séparer le champ proche du champ lointain et l'autre est placée à l'extrémité du domaine fluide afin d'éviter toutes réflexions. On réalise ainsi une étude en champ proche et une étude en champ lointain. Les mesures sont de deux types: champ de pression acoustique (hydrophone) et champ de vitesse (PIV). En parallèle, on effectue des simulations numériques directes avec le logiciel StarCCM+TM. Il s'agit de résoudre les équations de Navier-Stokes en fluide incompressible complétées d'un terme source de force acoustique. L'expression de ce dernier est obtenue par séparation des échelles de temps, ce qui consiste à négliger à l'échelle de temps acoustique les variations temporelles lentes, de l'écoulement généré. La démarche est ensuite analogue à celle utilisé en turbulence pour le calcul des tenseurs de Reynolds. On obtient finalement un bon accord entre les résultats expérimentaux et ceux de la modélisation numérique. / Acoustic streaming, i.e. the flow induced by a propagating acoustic wave, is investigated here with both experiental and numerical approaches. The ultrasound source is a 2MHz transducer with a 29mm diameter. The transducer is introduced inside a water tank with two absorbing walls. An intermediate absorbing wall is used to separate the near field from the far field. An other absorbing wall is placed in the opposite side to teh source to avoid reflective waves. Both near field and far field are studied. The measurements concern the acoustic pressure field (hydrophone) and the velocity field (PIV). Numerical simulations are also performed with the software STARCCM+TM. They solve the incompressible Navier-Stokes equations with an acoustic force source term. Ths term is obtained by time scale separation: the slow variations of the flow are neglected on an acoustic time scale with regard to the fast variations of the acoustic field. The procedure is then similar to that used in turbulence for Reynolds stress calculation. A good agreement is eventually obtained between the experimental and numerical results.

Cette thèse porte sur l'étude expérimentale de la réduction de traînée par injection de bulles. Le contexte de l'étude est lié à la propulsion navale. Les bulles peuvent, lorsqu'elles sont injectées dans la couche limite en développement le long des carènes de navires, contribuer à réduire significativement la résistance de frottement, en allégeant d'une part le fluide le long de la coque et d'autre part en interagissant avec les structures turbulentes de proche paroi. La configuration expérimentale retenue pour cette étude est l'écoulement de Taylor-Couette, avec cylindre extérieur fixe et injection de bulles calibrées. Nos investigations portent sur les régimes de transition, de turbulence naissante et turbulent avec persistance des cellules de Taylor (Re=20000). La taille des bulles varie avec le capillaire et le mélange utilisés, entre 0,05 et 0,12 fois la largeur de l'entrefer. Une méthode originale de suivi de la phase dispersée dans un plan méridien, couplée à des mesures de couple global appliqué au cylindre intérieur ont permis de mettre en évidence deux régimes de réduction de traînée et plusieurs types d'arrangements des bulles, en fonction de leur taille et du nombre de Reynolds. Les bulles peuvent avoir une trajectoire glissante, oscillante, être capturées par les cellules de Taylor ou en proche paroi du cylindre intérieur dans les zones de jets sortants. La caractérisation par PIV des vitesses de la phase liquide en monophasique et diphasique a permis d'étudier les modifications induites par les bulles sur la phase liquide et de discuter des mécanismes impliqués dans la modification du couple global par la présence des bulles. Il ressort de cette étude que pour les nombres de Reynolds en deçà de la capture, les bulles contribuent à stabiliser l'écoulement en accord avec une réduction du couple visqueux pouvant atteindre -30% pour des taux de vide très faible (< 1%). Pour des nombres de Reynolds plus élevés, la capture dans les cellules conduit à une réduction de la longueur d'onde axiale et une augmentation de la vorticité des cellules, associée à une augmentation des vitesses rms. Cette configuration est favorable à une augmentation du couple visqueux. A l'inverse, la capture des bulles dans le jet sortant conduit à une augmentation de la longueur d'onde axiale, associée à une diminution de la vorticité. Cette configuration est favorable à une réduction du couple visqueux, moins marquée qu'en absence de capture.