Leçon
La théorie — Navier–Stokes : écoulement autour d'un cylindre
Les équations de Navier–Stokes représentent la deuxième loi de Newton pour un fluide : chaque petite particule accélère sous la pression qui s'exerce sur elle et la traînée visqueuse de ses voisines. Pour un fluide incompressible, elles s'écrivent ∂u/∂t + (u·∇)u = −∇p/ρ + ν∇²u et ∇·u = 0, où u est la vitesse, p la pression, ρ la masse volumique et ν la viscosité cinématique.
Ce que signifie chaque symbole
Re- le nombre de Reynolds UD/ν, obtenu à partir de la vitesse de l'écoulement U, du diamètre du cylindre D et de la viscosité cinématique ν. L'étape 1 montre que c'est la seule constante qui subsiste dans les équations
St- le nombre de Strouhal fD/U, soit la fréquence de détachement f exprimée en unités de U/D
C_D- le coefficient de traînée : la traînée sur une unité de longueur du cylindre divisée par ½ρU²D
A- l'amplitude de l'oscillation : la moitié de la vitesse transversale crête à crête à trois diamètres derrière le cylindre, exprimée en fraction de U
ω- la vorticité ∂v/∂x − ∂u/∂y, soit le double de la vitesse de rotation d'une particule de fluide. Elle correspond à la couleur sur l'image
D’où vient la formule
- Pourquoi un seul curseur suffit. Mesurez les longueurs en diamètres, les vitesses en unités de U et le temps en unités de D/U : posez
u = U u′,x = D x′,t = (D/U) t′etp = ρU² p′. Chaque terme à gauche de l'équation de la quantité de mouvement comporte alors un facteur U²/D, tout comme le terme de pression. Le terme visqueux contient νU/D². Divisez le tout par U²/D et l'équation redevient identique à la précédente, écrite avec les grandeurs primées, sauf que ν est devenuν/(UD) = 1/Re. Deux écoulements qui partagent le même Re sont en fait le même écoulement à des tailles et des vitesses différentes. La page ne nécessite donc qu'un seul paramètre de contrôle, et non quatre. - Comment la page distingue une stabilisation d'un amortissement. Notez A l'amplitude de l'oscillation. Tant qu'elle reste faible, elle croît ou décroît de façon exponentielle,
dA/dt = σA, avec σ positif au-dessus du seuil et négatif en dessous. Près du seuil, σ est proportionnel à Re − Rec. La croissance ne peut se poursuivre indéfiniment. Le premier terme capable de l'arrêter, pour une oscillation identique lorsqu'on l'inverse de haut en bas, est cubique :dA/dt = σA − ℓA³, l'équation de Landau. Divisée par A, elle forme une ligne droite en A²,d ln A/dt = σ − ℓA². La page ajuste cette ligne sur les cycles de chaque exécution pour y lire σ. C'est ainsi qu'elle sait, à Re 48, qu'une oscillation qui se réduit est en train de se stabiliser plutôt que de s'amortir. En posant dA/dt = 0, on obtient l'oscillation finale du sillage,A∞² = σ/ℓ: une ligne droite en Re qui atteint zéro à Rec. Il s'agit de la ligne du deuxième panneau. - Zéro traînée sans viscosité. Sans viscosité, l'écoulement autour d'un cylindre de rayon R est
ψ = U(r − R²/r) sin θ. Sur la surface, sa vitesse vaut2U sin θ: nulle à l'avant et à l'arrière, double de l'écoulement libre sur les côtés. L'équation de Bernoulli,p + ½ρv²constante le long de l'écoulement, convertit cela en pression,Cp = (p − p∞)/(½ρU²) = 1 − 4 sin²θ. La traînée correspond à cette pression qui pousse sur la surface, additionnée sur tout le contour :CD = ∫₀^π Cp cos θ dθ = ∫₀^π cos θ dθ − 4∫₀^π sin²θ cos θ dθ = 0 − [4 sin³θ/3]₀^π = 0. La moitié avant et la moitié arrière s'annulent parfaitement. La page intègre la pression du solveur de la même manière et l'affiche comme la part de pression de la traînée. - La fréquence. Redimensionnée comme à l'étape 1, la fréquence de détachement f devient
St = fD/U. Comme tout le reste dans les équations redimensionnées, elle ne dépend que de Re. Une fois St connu à un nombre de Reynolds donné,f = St·U/Ds'applique à n'importe quel fluide, vitesse et diamètre qui le partagent. Roshko a ajustéSt = 0.212(1 − 21.2/Re)sur ses mesures en soufflerie entre Re 50 et 150. Le St de ce solveur se situe 4 % au-dessus de cette valeur à Re 55, pour se rapprocher à 1 % à Re 100.
- Suppose
- Deux dimensions : un cylindre infiniment long sans aucune variation sur sa longueur. Un fluide incompressible, que le solveur simule en fonctionnant à environ un sixième de sa propre vitesse du son. Un canal large de vingt diamètres avec son sommet relié à sa base, de sorte que le cylindre possède des voisins à vingt diamètres de distance, ce qui ajoute quelques pour cent à la traînée et à la fréquence.
- Ne tient plus quand
- Au-delà de Re 188,5, un sillage réel développe des ondes le long du cylindre (Barkley et Henderson, 1996) et la solution 2D ne le décrit plus. Près du seuil, tout ralentit : à Re 47 l'oscillation s'amortit encore après 300 D/U, et nécessiterait plus de 2 000 D/U supplémentaires pour disparaître complètement. C'est pourquoi la page lit la tendance à l'aide de l'équation de Landau plutôt que d'attendre.
Problème entièrement résolu
Références (5)
- Wind-tunnel shedding frequencies behind circular cylinders from Re 40 to 10,000, and the two fits this page plots and the worked problem uses: S = 0.212(1 − 21.2/R) for 50 < R < 150 and S = 0.212(1 − 12.7/R) for 300 < R < 2,000: A. Roshko, "On the Development of Turbulent Wakes from Vortex Streets", NACA Report 1191, National Advisory Committee for Aeronautics, 1954.
- Where a two-dimensional solver stops describing a real wake: the periodic 2D wake becomes unstable to three-dimensional disturbances at Re = 188.5 ± 1.0, which is where this page's slider stops: D. Barkley and R. D. Henderson, "Three-dimensional Floquet stability analysis of the wake of a circular cylinder", Journal of Fluid Mechanics 322, 215–241 (1996).
- The history of the instability: Bénard's experiments, the threshold Re_c = 47 that Camichel's group in Toulouse measured with circular cylinders, and Mathis, Provansal and Boyer's 1984 measurement that the oscillation's amplitude grows as (Re − Re_c)^½, the Landau law this page fits: J. E. Wesfreid, "Henri Bénard: Thermal convection and vortex shedding", Comptes Rendus Mécanique 345, 446–466 (2017).
- The method this page solves the equations with: a lattice-Boltzmann fluid with a curved wall placed on the true circle by interpolating along each lattice link, and the drag from the momentum each link exchanges with the wall: M. Bouzidi, M. Firdaouss and P. Lallemand, "Momentum transfer of a Boltzmann-lattice fluid with boundaries", Physics of Fluids 13, 3452–3459 (2001).
- Steady flow past a cylinder computed up to Re 100, with the drag, the surface pressure and the separation bubble, which first appears just below Re 7: S. C. R. Dennis and G.-Z. Chang, "Numerical solutions for steady flow past a circular cylinder at Reynolds numbers up to 100", Journal of Fluid Mechanics 42, 471–489 (1970).