Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie mécanique, Institut des sciences de l'énergie ISE

Experiments investigating the effects of fluid elasticity on laminar vortex shedding from a cylinder

Pipe, Christopher ; Monkewitz, Peter Alexis (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3347.

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    Summary
    Experiments on vortex shedding from a cylinder placed in uniform flows of low concentration polymer solutions are reported for Reynolds numbers from 50 to 150. The fluids used were aqueous solutions of polyethylene oxide (PEO) and rheological characterization showed them to have a constant viscosity over a wide range of shear rates. Using the Zimm model relaxation time the Deborah numbers calculated for the cylinder wake are O(10-3). Parallel vortex shedding was induced with a combination of end-cylinders and end-plates and the resulting nominally two-dimensional cylinder wake was investigated using LDA, PIV, hydrogen bubble visualizations and hot film anemometry. The characteristics of the von Kármán instability are presented as a function of PEO concentration. It is shown that even small amounts of polymers, corresponding to low Deborah numbers, have a significant stabilizing effect which is only counteracted by shear-thinning at higher concentrations. The presence of PEO is also observed to reduce the saturated vortex shedding frequency and cause a redistribution of velocity fluctuations in the attached shear layers. Shear-thinning is found to decrease velocity fluctuations in the wake. Downstream of the cylinder a velocity overshoot is measured for the polymer solutions and an analogy is drawn to the negative wake behind a sphere falling in a viscoelastic fluid.
    Résumé
    Des expériences de lâcher de tourbillons depuis un cylindre placé au sein d'écoulements uniformes de solutions polymères faiblement concentrées sont présentées pour des nombres de Reynolds variant de 50 à 150. Les fluides utilisés sont des solutions aqueuses d'oxyde de polyéthylène (PEO). La caractérisation rhéologique de ces fluides met en évidence une viscosité constante sur une large plage de taux de cisaillement. Utilisant le modèle de Zimm pour le temps de relaxation, les nombres de Deborah pour le sillage du cylindre sont d'ordre O(10-3). Une allée de tourbillons parallèles est générée par un dispositif de type « end-cylinders and end-plates » et le sillage bidimensionnel résultant à l'arrière du cylindre est étudié en utilisant les techniques LDA, PIV, visualisations de bulles d'hydrogène et anémométrie à film chaud. Les propriétés caractéristiques de l'instabilité de von Kármán sont présentées en fonction de la concentration de PEO. Il est montré que même de faibles quantités de polymère, correspondant à de faibles nombres de Deborah, ont un important effet stabilisant. Ce dernier est contrecarré par la pseudoplasticité ("shear-thinning") pour les solutions de concentrations plus élevées. La présence de PEO réduit la fréquence de saturation du lâcher de tourbillons et entraîne une redistribution des fluctuations de vitesse dans les couches de cisaillement attachées. La viscosité rhéofluidifiante a pour effet de réduire les fluctuations du champ de vitesse dans le sillage. En aval du cylindre, un excès local de vitesse est mesuré pour les solutions de polymère permettant d'établir une analogie avec le sillage négatif derrière une sphère en chute libre dans un fluide viscoélastique.