Influence de la rugosité de surfaces de parois sur les instabilités hydrodynamiques d'un écoulement de Couette-Taylor et de Couette-Taylor-Poiseuille

Ce travail porte sur l’étude numérique et expérimentale d’un écoulement de Couette-Taylor dans une géométrie à surfaces rugueuses, afin de détecter l’effet de la rugosité sur les instabilités hydrodynamiques. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude de simulation numérique (CFD) 3D dans le cas d’un écoulement de Couette-Taylor sans débit axial, mais en utilisant plusieurs types de rugosités de surfaces : rugosité isotrope (micro-rugosité), rugosité anisotrope (macro-rugosité), variation de l’amplitude ainsi que le type de la macro-rugosité. Les résultats obtenus montrent bien l’effet de cette rugosité sur la restructuration de l’écoulement et le développement des instabilités hydrodynmiques. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à l’étude expérimentale des écoulements de Couette-Taylor-Poiseuille avec et sans débit axial en utilisant deux protocols (direct et inverse). En effet, la superposition d’un écoulement axial (Poiseuille) avec un écoulement de Couette-Taylor, peut avoir un effet important sur la réorganisation de l’hydrodynamique de base déjà connue et constituée de cellules de Taylor. Par conséquent, la présence d’un écoulement axial peut générer la formation de vortex ou leur brisure ou disparition, et peut déplacer ces derniers (vortex ou cellules de Taylor) dans la même direction ou la direction inverse de l’écoulement axial imposé. Expérimentalement, nous avons commencé par une étude qualitative en visualisant les instabilités hydrodynamiques grâce à des particules de kalliroscope. Par la suite, une étude quantitative utilisant la PIV et la polarographie a été effectuée afin de caractériser les régimes d’écoulement des premières instabilités (TVF, WVF, MWVF et TN) en présence ou non d’un débit axial. La méthode polarographique, au moyen de sondes simples circulaires, a été alors utilisée pour quantifier le gradient pariétal de vitesse local et instanané. La PIV a permis d’étudier les régimes WVF, MWVF et turbulent. Différents critères de détection de tourbillons (la vorticité ω et le critère Q) ont été alors développés et utilisés pour bien identifier les structures tourbillonnaires.