Contribution to numerical study of rotating flows with walls. An application to the Taylor-Couette system. - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2003

Contribution to numerical study of rotating flows with walls. An application to the Taylor-Couette system.

Contribution à l'étude numérique des écoulements en rotation avec parois. Application au système de Taylor-Couette.

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Abstract

The Taylor-Couette system, consisting of shear flow between differentially rotating concentric cylinders, has been investigated experimentally and numerically in great detail since Taylor's pioneering work in 1923. Most of the studies dedicated to this topic considered cavities of small aspect ratio (defined as the ratio between the height of the cylinders and the radial distance between the cylindrical walls). They particularly focused on the rotor-stator configuration with a fixed outer cylinder. The rotation of the outer cylinder in addition to that of the inner cylinder results in more complex vortical structures; furthermore decreasing the aspect ratio changes the transition to turbulence. These cases, that have not been much studied, are the topic of this work. We use 3D direct numerical simulation based on a Chebyshev-Fourier spectral approximation that has been shown to be efficient for the complex development of rotating flows with walls. Those methods are coupled to efficient algorithms. Computations have been carried out on NEC SX-5 supercomputer. In the couter-rotating case, we found complex spiral and wavy vortex flows. DNS allowed a precise analysis of space-and-time behaviour of the vortical structures and the effect of the endwalls.
Depuis les travaux pionniers de Taylor (1923), la configuration de Taylor-Couette, constituée de deux cylindres coaxiaux pouvant tourner indépendamment l'un de l'autre, a été intensivement étudiée expérimentalement et numériquement. La plupart de ces études ont considéré le cas où le rapport d'aspect - défini comme le rapport entre la hauteur des cylindres et l'épaisseur de fluide dans l'entrefer du dispositif - est grand (supposé infini) ; elles ont également portée plus particulièrement sur la configuration où seul le cylindre interne est en rotation (configuration rotor-stator). La mise en rotation de la paroi externe complexifie la phénoménologie des structures tourbillonnaires, et la diminution du rapport d'aspect modifie le scénario de transition vers la turbulence. Ces cas, moins bien documentés, constituent l'objet de notre étude. L'outil d'investigation est une simulation numérique directe (DNS) tridimensionnelle de haute précision, basée sur une approximation spectrale de la solution. Ces méthodes, couplées à des algorithmes très efficaces, ont permis de réaliser des simulations lourdes sur supercalculateur NEC SX5. Des simulations avec parois en contrarotation ont permis la mise en évidence d'écoulements complexes de type " Wavy Vortex " ou " InterPenetrating Spirals ". La DNS a permis une analyse fine du comportement spatio-temporel des structures et des effets des parois terminales.
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tel-00795374 , version 1 (27-02-2013)

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  • HAL Id : tel-00795374 , version 1

Cite

Olivier Arnaud Czarny. Contribution à l'étude numérique des écoulements en rotation avec parois. Application au système de Taylor-Couette.. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université de la Méditerranée - Aix-Marseille II, 2003. Français. ⟨NNT : 2003AIX22109⟩. ⟨tel-00795374⟩

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