Écoulement et entraînement d’air autour d’un cylindre vertical partiellement immergé

L'ecoulement autour d'un objet partiellement immerge comme une carene ou une pile de pont est une configuration fondamentale au regard de la dynamique de la surface libre. La caracterisation de cet ecoulement est essentielle dans des applications environnementales, ou pour des systemes d'energies marines renouvelables. De telles structures sont soumises a des efforts de trainee et de portance provenant de l'interaction avec le courant, la houle, et la surface libre. Ce travail s'inscrit dans la comprehension des efforts s'exercant sur des objets partiellement immerges. Notre problematique est simplifiee en considerant une geometrie cylindrique. Nous presentons des resultats experimentaux obtenus en canal, ou le cylindre est tracte ainsi que des resultats numeriques obtenus a l'aide du code YALES2, base sur la methode des volumes finis. Le cylindre vertical est partiellement immerge et le sillage genere derriere le cylindre est caracterise par une deformation de la surface libre. L'ecoulement derriere le cylindre est gouverne par les nombres de Reynolds et de Froude, caracterisant l'importance des effets inertiels et gravitaires. Ces nombres sans dimension sont definis a l'aide du diametre du cylindre. La gamme de vitesse balayee et les diametres utilises permettent d'atteindre des nombres de Reynolds jusqu'a 240 000, et des nombres de Froude jusqu'a 2.4 correspondant a un sillage turbulent. L'attention est portee sur les fortes deformations de surface libre allant jusqu'a sa rupture et l'entrainement d'air. En particulier, deux modes d'entrainement d'air ont ete observes : (i) dans la cavite le long du cylindre et (ii) dans le sillage du cylindre. La vitesse critique a l'entrainement d'air dans la cavite a ete mesuree et son evolution est comparee avec une loi d'echelle proposee par Benusiglio. Nous avons observe l'influence de cet entrainement d'air sur les efforts de trainee grâce a des mesures a l'aide de capteurs piezoelectriques. Nos resultats sont compares avec des resultats experimentaux a des Reynolds et Froude inferieurs et des resultats sans surface libre. Une comparaison avec des resultats numeriques est egalement realisee. La presence de la surface libre et de l'entrainement d'air dans la cavite entraine une diminution des efforts de trainee par rapport au cas monophasique. Numeriquement, le code utilise une methode level-set pour la description de la surface libre et permet de reproduire les phenomenes d'entrainement d'air, la deformation de la surface libre et la dynamique de l'ecoulement autour du cylindre. Ce travail etend la gamme de parametres adimensionnels parcourus experimentalement et numeriquement, et met en evidence l'effet de l'entrainement d'air sur les efforts de trainee.