Entraînement d'air dans le sillage d'un cylindre perçant une surface libre – FOAMWAKE

Le projet FOAMWAKE est porté par un consortium composé d'un partenaire académique (Laboratoire de Mécanique des Fluides et Acoustique UMR 5509), de deux partenaires institutionnels (IFREMER et ONERA) et d'une grande entreprise (Sirehna, filiale de Naval Group). L'objectif de ce projet est de caractériser les sillages de bulles générés à l'arrière d'un cylindre perçant la surface libre.

Plus précisément, les travaux de ce projet concourent à la caractérisation des phénomènes physiques d'origine fluide qui pilotent la génération, la propagation et la persistance de ce sillage diphasique ; ces phénomènes étant aujourd'hui peu abordés, mal compris et encore moins modélisés. Un second axe de travail vise à caractériser la perception de ce sillage par des capteurs optiques. En effet, les bulles générées par le sillage ont des propriétés optiques très différentes du fond de mer, qui peuvent conduire à la détection et à la reconnaissance de l’engin semi-immergé ayant généré le sillage.
La finalité militaire de ce projet est la connaissance et la maîtrise de l'indiscrétion optique générée par le sillage d'écume derrière un corps perçant la surface libre (par exemple un mât de sous-marin évoluant à l'immersion périscopique) et de façon réciproque, l'amélioration des capacités de détection de ces phénomènes par des capteurs optiques. Les applications civiles comprennent entre autres la sécurité maritime ou le phénomène d’entraînement d’air en aval des ouvrages hydrauliques, dont la modélisation est nécessaire mais souvent très empirique.
L'objectif du projet est de comprendre les phénomènes physiques qui agissent sur les conditions d'apparition des bulles, leurs distributions de tailles, leur propagation dans le sillage du corps ainsi que leur persistance, sous forme d'écume. Pour atteindre cet objectif, les tâches suivantes seront réalisées :

1) La réalisation d'essais en aval d’un cylindre fixe perçant un écoulement entraîné jusqu’à 5 m/s. Ce moyen expérimental existant au LMFA est de taille réduite (longueur 2,3 m), mais disponible extensivement. Le moyen d'essai permettra d'appréhender la génération des bulles et leur propagation dans le sillage proche du corps à l’aide en particulier de mesures par sonde optique à détection de phase donnant accès aux distributions de tailles et de vitesse de bulles. L'aspect persistance du sillage ne pourra pas être étudié via ce moyen d'essai.

2) La réalisation d'essais en eau de mer dans un bassin de traction de plus grande échelle (IFREMER). Ces essais seront complémentaires des précédents. Outre la fourniture d'informations à une échelle plus proche de l'application, ils permettront d'étudier la persistance du sillage d'écume en aval du mât. Ce moyen d'essai permettra également d'accéder à la déformée de surface libre représentative de celle générée par un mât en milieu infini. Ces essais permettront de valider les modèles numériques utilisés ou développés dans la tâche 3, ou des modèles développés ultérieurement. Cette tâche intégrera également des acquisitions par des capteurs optiques par l'ONERA.

3) La réalisation de simulations numériques par Naval Group reproduisant les essais réalisés dans les deux tâches précédentes, avec deux modélisations de la turbulence (RANS et LES). Ces simulations n'auront pas vocation à suivre les bulles mais à caractériser la topologie globale de l'écoulement et les structures turbulentes et ainsi faire le lien entre la propagation des bulles observées dans les expériences et la turbulence. Ces simulations seront complétées par des simulations numériques directes avec Basilisk (LMFA), pour focaliser à plus petite échelle sur les mécanismes d’entraînement d’air.

Les essais et simulations auront pour but d’élaborer un modèle d’entraînement d’air pour cette configuration, afin en particulier de clarifier comment sont générées les inclusions les plus petites, responsables de la persistance du sillage.