Non-modal instabilities of two-dimensional disturbances in plane Couette flow of a power-law fluid

Instabilities of fluid flows have traditionally been investigated by normal mode analysis, i.e. by linearizing the equations of flow and testing for unstable eigenvalues of the linearized problem. However, the results of eigenvalue analysis agree poorly in many cases with experiments, especially for shear flows. In this paper we study the instabilities of two-dimensional Couette flow of a polymeric fluid in the framework of non-modal stability theory rather than normal mode analysis. A power-law model is used to describe the polymeric liquid. We focus on the response to external excitations and initial conditions by examining the pseudospectra structures and the transient energy growths. For both Newtonian and non-Newtonian flows, the results show that there can be a rather large transient growth even though the linear operator of Couette flow has no unstable eigenvalue. The effects of non-Newtonian viscosity on the transient behaviors are examined in this study. The results show that the "shear-thinning/shear-thickening" effect increases/decreases the amplitude of responses to external excitations and initial conditions. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Simulations of Two-Dimensional Foam under Couette Shear

null Sponsorship: Financial support is acknowledged from the University of Wales Aberystwyth Senate Fund, the Ulysses France-Ireland Exchange Scheme and EPSRC (EP/D014956/1, EP/D048397/1, EP/D071127/1).

The Couette shear of foams - a summary

Sponsorship: EPSRC, British Council Alliance programme

Évaluation in silico des pompes d’assistance ventriculaire de type écoulement mixte

L'insuffisance cardiaque est une maladie à grande incidence dont le traitement définitif est difficile. Les pompes d'assistance ventriculaire ont été proposées comme thérapie alternative à long terme, mais la technologie est relativement jeune et selon son design, axial ou centrifuge, le dispositif favorise soit l'hémolyse, soit la stagnation de l'écoulement sanguin. Les pompes à écoulement mixte, combinant certaines propriétés des deux types, ont été proposées comme solution intermédiaire. Pour évaluer leurs performances, nous avons effectué des comparaisons numériques entre huit pompes, deux axiales, deux centrifuges, et quatre mixtes, en employant un modèle Windkessel du système cardiovasculaire avec paramètres optimisés pour l'insuffisance cardiaque résolu avec une méthode Radau IIA3, une méthode de résolution de système d'équations différentielles ordinaires L-stable appartenant à la famille des méthodes Runge-Kutta implicites. Nos résultats semblent suggérer que les pompes d'assistance mixtes ne démontrent qu'un léger avantage comparativement aux autres types en terme de performance optimale dans le cas de l'insuffisance cardiaque, mais il faudrait effectuer plus d'essais numériques avec un modèle plus complet, entre autres avec contrôles nerveux implémentés.

Impacts de l'écoulement souterrain sur la dégradation du pergélisol

Les changements climatiques mesurés dans le Nord-ouest canadien au cours du XXIe siècle entraînent une dégradation du pergélisol. Certaines des principales conséquences physiques sont la fonte de la glace interstitielle lors du dégel du pergélisol, l’affaissement du sol et la réorganisation des réseaux de drainage. L’effet est particulièrement marqué pour les routes bâties sur le pergélisol, où des dépressions et des fentes se créent de façon récurrente, rendant la conduite dangereuse. Des observations et mesures de terrain effectuées à Beaver Creek (Yukon) entre 2008 et 2011 ont démontré qu’un autre processus très peu étudié et quantifié dégradait le pergélisol de façon rapide, soit la chaleur transmise au pergélisol par l’écoulement souterrain. Suite aux mesures de terrain effectuées (relevé topographique, étude géotechnique du sol, détermination de la hauteur de la nappe phréatique et des chenaux d’écoulement préférentiels, température de l’eau et du sol, profondeur du pergélisol et de la couche active), des modèles de transfert de chaleur par conduction et par advection ont été produits. Les résultats démontrent que l’écoulement souterrain dans la couche active et les zones de talik contribue à la détérioration du pergélisol via différents processus de transfert de chaleur conducto-convectifs. L’écoulement souterrain devrait être pris en considération dans tous les modèles et scénarios de dégradation du pergélisol. Avec une bonne caractérisation de l’environnement, le modèle de transfert de chaleur élaboré au cours de la présente recherche est applicable dans d’autres zones de pergélisol discontinu.

Caractéristiques des structures turbulentes de l'écoulement et du transport en charge de fond en rivière à lit de graviers lors de la montée d'une crue

En rivière à lit de graviers, le transport des sédiments en charge de fond est un processus intermittent qui dépend de plusieurs variables du système fluvial dont la prédiction est encore aujourd’hui inexacte. Les modèles disponibles pour prédire le transport par charriage utilisent des variables d’écoulement moyen et la turbulence n’est généralement pas considérée malgré que les tourbillons contenus dans les écoulements possèdent une quantité d’énergie importante. L’utilisation de nouvelles approches pour étudier la problématique du transport par charriage pourrait nous permettre d’améliorer notre connaissance de ce processus déterminant en rivière alluviale. Dans ce mémoire, nous documentons ces composantes de la dynamique fluviale dans un cours d’eau graveleux en période de crue. Les objectifs du projet de recherche sont : 1) d’examiner l’effet du débit sur les variables turbulentes et les caractéristiques des structures turbulentes cohérentes, 2) d’investiguer l’effet du débit sur les caractéristiques des événements de transport de sédiments individuels détectés à l’aide d’un nouvel algorithme développé et testé et 3) de relier les caractéristiques de l’écoulement turbulent aux événements de transport de sédiments individuels. Les données de turbulence montrent qu’à haut niveau d’eau, l’écoulement décéléré est peu cohérent et a une turbulence plus isotrope où les structures turbulentes cohérentes sont de courte durée. Ces observations se distinguent de celles faites à faible niveau d’eau, en écoulement accéléré, où la plus grande cohérence de l’écoulement correspond à ce qui est généralement observé dans les écoulements uniformes en rivières graveleuses. Les distributions de fréquence des variables associées aux événements de transport individuel (intensité de transport moyenne, durée d’événement et intervalle entre événements successifs) ont des formes différentes pour chaque intensité de crue. À haut niveau d’eau, le transport est moins intermittent qu’à faible débit où les événements rares caractérisent davantage les distributions. L’accélération de l’écoulement à petite échelle de temps joue un rôle positif sur le transport, mais surtout lorsque la magnitude de la crue mobilisatrice est en dessous du niveau plein bord. Les résultats de l’étude montrent que les caractéristiques de la turbulence ainsi que les liens complexes entre l’écoulement et le transport par charriage sont fonction du débit.

Time development of small disturbances to plane Couette Flow

The question of linear sheared-disturbance evolution in constant-shear parallel flow is here reexamined with regard to the temporary-amplification phenomenon noted first by Orr in 1907. The results apply directly to Rossby waves on a beta-plane, and are also relevant to the Eady model of baroclinic instability. It is shown that an isotropic initial distribution of standing waves maintains a constant energy level throughout the shearing process, the amplification of some waves being precisely balanced by the decay of the others. An expression is obtained for the energy of a distribution of disturbances whose wavevectors lie within a given angular wedge and an upper bound derived. It is concluded that the case for ubiquitous amplification made in recent studies may have been somewhat overstated: while carefully-chosen individual Fourier components can amplify considerably before they decay. a general distribution will tend to exhibit little or no amplification.

Analytical solution for transient one-dimensional couette flow considering constant and time-dependent pressure gradients

This paperaims to determine the velocity profile, in transient state, for a parallel incompressible flow known as Couette flow. The Navier-Stokes equations were applied upon this flow. Analytical solutions, based in Fourier series and integral transforms, were obtained for the one-dimensional transient Couette flow, taking into account constant and time-dependent pressure gradients acting on the fluid since the same instant when the plate starts it´s movement. Taking advantage of the orthogonality and superposition properties solutions were foundfor both considered cases. Considering a time-dependent pressure gradient, it was found a general solution for the Couette flow for a particular time function. It was found that the solution for a time-dependent pressure gradient includes the solutions for a zero pressure gradient and for a constant pressure gradient.