Ecoulement Tournant et Actionneurs Electroactifs – ETAE

Le projet ETAE propose des avancées significatives sur les problèmes de l’émergence et du contrôle d’instabilités hyrodynamiques dans les écoulements tournants recirculants à surface libre. L’objectif est, à partir d’excitations induites par actionneurs électro-actifs et parfaitement contrôlées en fréquence et en amplitude, de manipuler l’écoulement afin de mieux identifier les mécanismes qui, en présence de bruit mécanique, conduisent à l’instabilité de tourbillons de grande échelle. La mise en commun des compétences expérimentales et numériques sur la stabilité des écoulements tournants au LIMSI-CNRS, et sur la modélisation d’actionneurs à base de matériaux actifs au GEEPS, permettra d’aborder des questions de fond sur la sensibilité des écoulements confinés aux sources de bruit parasites. Le volet exploratoire sur les actionneurs ouvre de larges perspectives sur l’application expérimentale et numérique de méthodes novatrices de mesure et de contrôle d’un système fluide, en interaction avec l’élaboration de nouveaux matériaux actifs prometteurs pour le contrôle d’écoulement.

L'étude des instabilités dans les écoulements tournants et recirculants engendrés par des disques en rotation est un des thèmes pour lequel le LIMSI est reconnu depuis longtemps. Ces écoulements sont depuis devenus des sujets d'études classiques car ils sont génériques pour comprendre des phénomènes soit géophysiques à l'échelle terrestre, soit industriels dans les machines tournantes. La mise en place au LIMSI d’un dispositif expérimental avec un disque, tournant au fond d'une cavité cylindrique fixe et remplie partiellement de liquide, a déja conduit à observer des modes d’instabilités dus à la présence de la surface libre. L'écoulement avant instabilité est axisymétrique et perd sa symétrie de révolution au-delà d'un seuil (typiquement en augmentant la vitesse de rotation). On distingue deux cas: le cas des faibles déformations de la surface libre où l'instabilité s'organise en grosses structures tourbillonnaires, et le cas des fortes déformations où la surface libre elle même brise l’axisymétrie. D’un point de vue expérimental, la mesure de la déformation de la surface libre en temps réel exige des techniques novatrices. De plus, le cas des fortes déformations reste aujourd'hui un immense défi pour les codes de simulations numériques. Cependant, même dans le cas de faible déformation de la surface libre, la comparaison des seuils a révélé des écarts significatifs entre les mesures numériques et expérimentales. Les méthodes de sensibilité aux perturbations extérieures, développées seulement récemment dans le cas délicat des écoulements ouverts, apparaissent comme une approche pertinente pour comprendre l’effet d’une instationnarité, d’origine extérieure et de niveau modéré, sur ce système fluide. Enfin, la superposition d'un bruit parfaitement contrôlé à un écoulement connu devrait permettre d'expliquer et surtout de corriger la variabilité des seuils trouvés d'une expérience à l'autre. L’élaboration de tels actionneurs, les méthodes de mesures associées, ainsi que leur insertion au sein d’une boucle de rétroaction efficace représentent aujourd’hui des défis technologiques importants. Ce projet se positionne donc à la confluence des activités sur les écoulements tournants et le contrôle des écoulements au LIMSI et sur la modélisation d'actionneurs à base de matériaux actifs au GEEPS. La mise en commun de ces compétences permettra d'aborder des questions fondamentales et des interrogations pratiques sur la sensibilité des écoulements confinés soumis à des vibrations parasites qui sont toujours présentes dans les applications réalistes. La face exploratoire du projet sur les actionneurs en régime de grands déplacements ouvre sur le long terme des perspectives importantes aussi bien sur le développement de codes de simulation avec interaction fluide/structure que sur la caractérisation des matériaux électro-actifs.