Réduction de traînée par injection de microbulles dans la couche limite d'écoulements en canal

Drag reduction via microbubble injection in boundary layer of channel flows

Abstract

An investigation of turbulent structure modification of fully developed channel flow by microbubble injection close to the upper wall was studied. Two-dimensional velocity components at Reynolds number of 5128 based on the half height of the channel and bulk velocity were measured. The particle image Velocimetry technique (PIV) was utilized to obtain the two-dimensional velocity fields of the fluid and the microbubbles. Microbubbles with an average diameter of 30 um were injected into the buffer layer. Various values of void fractions were used to evaluate the effects of microbubble concentrations on the drag reduction. Modifications in the length and time scales were detected by calculating two-point correlation coefficients and Wavelet maps. The energy spectra were calculated. It is interesting to note a shift from large frequency domain to lower low frequency structure.

Résumé

Des méthodes de réduction de la traînée dans des écoulements turbulents ont été développées depuis plusieurs décennies. La réduction du frottement de paroi a d’évidents avantages par des économies en carburant, au quotidien (cas de bateaux et d'avion de commerce) ou dans la vitesse maximale (souhaitable dans les applications militaires ou de compétition) et pour moins d'impact sur l’environnement dû à moins de consommation de carburant. Récemment, la réduction de frottement turbulent entre une surface solide et un fluide par des additifs réduisant la traînée, a suscité une attention croissante pour l'économie de puissance et la réduction de la pollution. Des injections de polymères et d'agents tensio-actifs, des oscillations de parois, des propagations d’ondes , le soufflage et l'aspiration, et l'injection de microbulles sont parmi les exemples d’additifs actifs. Les petites rides sont un exemple des techniques passives pour réduire la traînée.

Cependant, un consensus sur la compréhension du mécanisme qui régit ce phénomène n’est pas acquis. Cet article, présente une recherche sur la modification de la structure de la turbulence entièrement développée en canal, par l'injection de microbulles près de la paroi supérieure. Les composantes bidimensionnelles de la vitesse, au nombre de Reynolds de 5128 basé sur la demi hauteur du canal et la vitesse moyenne, ont été mesurées. La technique vélocimétrique d'images de particules a été utilisée pour obtenir les champs bidimensionnels de vitesse du fluide et des microbulles. Les microbulles d’un diamètre moyen de 30µm ont été injectées dans la couche tampon. Diverses valeurs de fractions de vides ont été employées pour évaluer les effets de la concentration des microbulles sur la réduction de traînée. Des modifications dans les échelles de longueur et de temps ont été détectées en calculant des coefficients de corrélation de deux-points. Les échelles de temps et de longueur dans le sens du courant sont augmentées. Au contraire, les échelles de temps et de longueur normales ont été diminuées avec un accroissement de la réduction de traînée. La présence des microbulles produit une réduction de traînée. Une diminution des contraintes de Reynolds a été obtenue en augmentant la fraction de vide. Les spectres d'énergies ont été calculés : il est intéressant de noter un glissement des plus grands nombres d’onde vers les nombres d’onde inférieurs près de la région de paroi.