L'écoulement autour d'un objet partiellement immergé comme une carène [1] ou une pile de pont est une configuration fondamentale au regard de la dynamique de la surface libre. La caractérisation de cet écoulement est essentielle dans des applications environnementales [2], ou pour des systèmes d'énergies marines renouvelables [3]. De telles structures sont soumises à des efforts de traînée et de portance provenant de l'interaction avec le courant, la houle, et la surface libre. Ce travail s'inscrit dans la compréhension des efforts s'exerçant sur des objets partiellement immergés. Notre problématique est simplifiée en considérant une géométrie cylindrique. Nous présentons des résultats expérimentaux obtenus en canal, où le cylindre est tracté ainsi que des résultats numériques obtenus à l'aide du code YALES2, basé sur la méthode des volumes finis. Le cylindre vertical est partiellement immergé et le sillage généré derrière le cylindre est caractérisé par une déformation de la surface libre. L'écoulement derrière le cylindre est gouverné par les nombres de Reynolds et de Froude, caractérisant l'importance relative de l'énergie cinétique par rapport à l'énergie gravitationnelle. Ces nombres sans dimensions sont définis à l'aide du diamètre du cylindre. La gamme de vitesse balayée et les diamètres utilisés permettent d'atteindre des nombres de Reynolds jusqu'à 240 000, correspondant à un sillage turbulent. L'attention est portée sur les fortes déformations de surface libre allant jusqu'à sa rupture et l'entraînement d'air. En particulier, deux modes d'entrainement d'air ont été observés : (i) dans la cavité le long du cylindre et (ii) dans le sillage du cylindre. La vitesse critique à l'entraînement d'air dans la cavité a été mesurée et son évolution est comparée avec une loi d'échelle proposée par Benusiglio [4]. Nous avons observé l'influence de cet entraînement d'air sur les efforts de traînée grâce à des mesures à l'aide de capteurs piézoélectriques. Nos résultats sont comparés avec des résultats expérimentaux [5] à des Reynolds et Froude inférieurs et des résultats sans surface libre [6]. Une comparaison avec des résultats numériques [7] est également réalisée. La présence de la surface libre et de l'entraînement d'air dans la cavité entraîne une diminution des efforts de traînée par rapport au cas monophasique. Numériquement, le code utilise une méthode level-set pour la description de la surface libre et permet de reproduire les phénomènes d'entraînement d'air, la déformation de la surface libre et la dynamique de l'écoulement autour du cylindre. Ce travail étend la gamme de paramètres adimensionnés parcourus expérimentalement et numériquement, et met en évidence l'effet de l'entrainement d'air sur la déformation de la surface libre ainsi que sur les efforts de traînée.

 1. M. Rabaud, F. Moisy, Ship wakes : Kelvin or Mach angle ? Phys. Rev. Lett., 110 (21), 214503, (2013).

2 T. Ducroq, L. Cassan, J. Chorda, H. Roux, Flow and drag around a free surface piercing cylinder for environmental applications Environ, Fluid Mech., 17, 629-645 (2017).

3. I. Lopez, J. Andreu, S. Ceballos, I.M de Alegria, I. Kortabarria, Review of wave energy technologies and the necessary power-equipment, Renew. Sust. Energy Rev., 27, 413-434 (2013).

4. A. Benusiglio, Indiscrétions aux interfaces, Thèse de doctorat, Ecole Polytechnique, (2013).

5. RT. Gonçalves, GR. Franzini, GF. Rosetti, JR. Meneghini, ALC. Fujarra, Flow around circular cylinders with very low aspect ratio, J. Fluids Struct, 54, 122-141 (2015).

6. G. Schewe, On the force fluctuations acting on a circular cylinder in crossflow from subcritical up to transcritical Reynolds numbers, J. Fluid Mech., 133, 265-285 (1983).

7. G. Yu, EJ. Avital, JJR. Williams, Large eddy simulation of flow past free surface piercing circular cylinders J.Fluids Eng., 130, 122-141 (2008).