Research Article

Mouvements oscillatoires de corps en ascension dans un fluide peu visqueux : l'effet du rapport de forme

Oscillatory motions of freely-moving bodies rising in a low-viscous fluid: the role of the aspect ratio

Pedro C. Fernandes^a1, Patricia Ern^a1, Frédéric Risso^a1 and Jacques Magnaudet^a1

^a1 Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse, UMR 5502 CNRS-INP-UPS, Allée du Prof. Camille Soula, 31400 Toulouse, France

Résumé

On observe souvent dans la nature que l'ascension ou la chute d'un corps peut présenter des mouvements oscillatoires (spirale, zigzag) ou plus désordonnés. Nous nous sommes penchés sur les causes des instabilités du mouvement d'un corps en ascension sous l'effet de la gravité, dans un fluide au repos. Nous avons conduit une étude expérimentale des mouvements oscillatoires de corps légers montant librement dans un fluide peu visqueux. Des résultats originaux concernant la cinématique de cylindres minces sont présentés ici pour une large gamme de nombres d'Archimède (flottabilité sur effets visqueux) et du rapport de forme (diamètre sur épaisseur). Nous avons analysé les oscillations de la vitesse et de l'orientation des cylindres (fréquences, amplitudes et différences de phases), ce qui a mis en évidence l'effet crucial du rapport de forme dans le couplage entre la translation et la rotation.

Abstract

In many situations, freely falling or rising particles exhibit oscillatory motions: spiral, zigzag or tumbling. We are concerned with the causes of these path instabilities for particles moving under the effect of buoyancy in a fluid otherwise at rest. The oscillatory motion of light particles rising freely in a slightly viscous fluid was investigated experimentally. Original results concerning the kinematics of flat cylinders are reported for a wide range of the Archimedes number (buoyancy vs. viscous effects) and aspect ratio (diameter-to-height ratio). In this paper, we focus on the particle velocity and orientation oscillations (frequencies, amplitudes and phase differences), underlining the crucial effect of the body aspect ratio on the complex coupling between translation and rotation.

(Received February 25 2005)

(Accepted March 21 2005)

(Online publication July 01 2005)

Key Words:

• Freely-moving body ;
• self-sustained oscillations ;
• trajectory instability ;
• wake

Mots clés:

• Corps mobile ;
• oscillations auto-entretenues ;
• instabilité de trajectoire ;
• sillage

Correspondence:

^c1 cordeiro@imft.fr