ETUDE DES EFFETS DE FORTS GRADIENTS DE TEMPERATURE SUR LA STRUCTURE DE LA TURBULENCE D'UN JET ANNULAIRE CHAUFFE PAR DEUX FLAMMES DE NATURE DIFFERENTE. CAS OU L'ECOULEMENT EST LEGEREMENT CHAUFFE SANS FLAMME, LA CHALEUR SE COMPORTANT COMME UN CONTAMINANT PASSIF ET CAS OU L'ECOULEMENT EST FORTEMENT CHAUFFE
Etude de l'influence de forts gradients de température sur la strucure de la turbulence. Les écoulements étudiés sont des jets annulaires verticaux obtenus à la sortie d'un brûleur. Dans la partie centrale, deux types de flamme, flamme turbulente et flamme laminaire pemettent de chauffer l'écoulement annulaire. On écrit les équations statistiques de continuité, de quantité de mouvement et d'enthalpie. Les mesures sont effectuées par anémothermométrie à fil chaud. déterminations des spectres de température, des tensions de Reynolds et des densités de flux de chaleur turbulent. On en déduit les coefficients de diffusivité cinématique et thermique de la turbulence ainsi que le nombre de Prandtl de la turbulence.
L'OBJECTIF DE CETTE RECHERCHE EST L'ETUDE EXPERIMENTALE ET THEORIQUE DE L'INFLUENCE D'UNE FORTE VARIATION DE LA MASSE VOLUMIQUE SUR LA STRUCTURE D'UN JET TURBULENT RECTANGULAIRE. CETTE VARIATION DE DENSITE EST OBTENUE D'UNE PART, PAR UN FORT CHAUFFAGE DE L'ECOULEMENT D'AIR D'UN JET UNIQUE, ET D'AUTRE PART, A PARTIR DE REACTION CHIMIQUE DANS UNE FLAMME TURBULENTE DE DIFFUSION. LA STRUCTURE DU CHAMP DYNAMIQUE DANS LE JET EST COMPAREE ENTRE LE CAS ISOTHERME ET FORTEMENT CHAUFFE, ALORS QUE DANS LA FLAMME, ELLE EST COMPAREE ENTRE LE CAS NON REACTIF ET REACTIF. EN CE QUI CONCERNE LE CHAMP THERMIQUE DANS LE CAS DU JET, IL EST COMPARE ENTRE LE CAS FAIBLEMENT CHAUFFE ET LE CAS FORTEMENT CHAUFFE. LES TECHNIQUES DE MESURE UTILISEES SONT: L'ANEMOMETRIE LASER DOPPLER POUR L'ETUDE DU CHAMP DYNAMIQUE, LA TECHNIQUE DE L'ANEMOMETRIE A FIL FROID POUR L'ETUDE DU CHAMP THERMIQUE DANS LES JETS ET LA TECHNIQUE DES THERMOCOUPLES COMPENSES POUR L'ETUDE DU CHAMP THERMIQUE DANS LA FLAMME. DANS LE CAS DU JET, LES EQUATIONS STATISTIQUES SONT OBTENUES PAR L'APPLICATION DE LA MOYENNE DE REYNOLDS DANS LE CAS DU JET ISOTHERME, ET LA MOYENNE DE FAVRE DANS LE CAS DU JET FORTEMENT CHAUFFE. ENSUITE, CES EQUATIONS SONT ECRITES DANS LE CADRE DE L'APPROXIMATION DE COUCHE LIMITE, PUIS RESOLUES NUMERIQUEMENT PAR UNE FERMETURE DE TYPE K, EPSILON. LES RESULTATS OBTENUS MONTRENT QUE L'EFFET DE LA VARIATION DE LA MASSE VOLUMIQUE EST IMPORTANT. DE MEME, DES DIFFERENCES DE COMPORTEMENT SONT OBSERVEES ENTRE LE CAS REACTIF ET LE CAS FORTEMENT CHAUFFE
CE TRAVAIL CONSISTE EN L'ETUDE EXPERIMENTALE DE JETS TURBULENTS AXISYMETRIQUES A DENSITE VARIABLE ET, PLUS PARTICULIEREMENT, EN L'ANALYSE FINE DES PROPRIETES DE COUPLAGE DES CHAMPS DE VITESSE ET DE CONCENTRATION. NOUS ETUDIONS UN JET DE TUBE, VERTICAL ET ASCENDANT, FAIBLEMENT CONFINE DANS UN CO-COURANT D'AIR DE VITESSE TRES FAIBLE. LA VARIATION DE DENSITE EST OBTENUE PAR DE L'HELIUM, A TEMPERATURE AMBIANTE, S'EPANOUISSANT DANS DE L'AIR A TEMPERATURE AMBIANTE (RAPPORT INITIAL DES MASSES VOLUMIQUES DE 0.14). LE JET D'AIR LEGEREMENT CHAUFFE FOURNIT UN TRACEUR PASSIF (SANS VARIATION DE MASSE VOLUMIQUE IMPORTANTE), CE QUI JOUE LE ROLE DE REFERENCE. NOUS COMBINONS LA VELOCIMETRIE LASER DOPPLER ET L'ANEMO-THERMOMETRIE A FIL CHAUD : LA PREMIERE TECHNIQUE MESURE SIMULTANEMENT DEUX COMPOSANTES DE LA VITESSE, TANDIS QUE LA SECONDE DELIVRE UNE TENSION LIEE A LA VITESSE ET A LA CONCENTRATION. UN SYSTEME PERMETTANT LE DECLENCHEMENT SIMULTANE DES ACQUISITIONS A ETE ELABORE. APRES CALIBRATION APPROPRIEE DE LA SONDE A FIL CHAUD, ON OBTIENT NOTAMMENT LES FLUX TURBULENTS DE CONCENTRATION. NOS RESULTATS PERMETTENT DE MIEUX COMPRENDRE LES MECANISMES DE MELANGE DANS LA ZONE INITIALE DE DEVELOPPEMENT DU JET OU LES GRADIENTS SONT LES PLUS FORTS. AINSI, PLUS LE GAZ EJECTE EST LEGER, PLUS SON MELANGE EST RAPIDE. LES FONCTIONS DE DENSITE DE PROBABILITE ET LES MOYENNES CONDITIONNELLES PERMETTENT UNE ANALYSE PLUS FINE DU COUPLAGE, REVELANT, POUR LE JET D'HELIUM, LA PRESENCE INATTENDUE D'HELIUM PRESQUE PUR A BASSE VITESSE. DE PLUS, DANS CE CAS, LE TERME AXIAL DE L'ENERGIE CINETIQUE DE LA TURBULENCE EST ATTENUE AU PROFIT DES COMPOSANTES RADIALES. DE NOMBREUSES APPLICATIONS INDUSTRIELLES CONSTITUENT UNE DES FINALITES DE CETTE RECHERCHE, MENEE DEPUIS PLUSIEURS ANNEES EN LIAISON AVEC EDF, GDF, LA SNECMA ET L'INERIS. L'INTERET FONDAMENTAL VISE A FOURNIR DES ELEMENTS PRECIS DE LA PHYSIQUE SOUS-JACENTE ET A AIDER A LA MISE AU POINT DE MODELES DE TURBULENCE BIEN ADAPTES.
CE TRAVAIL PORTE SUR L'ETUDE D'UN JET TURBULENT AXISYMETRIQUE SE DEVELOPPANT DANS UN ECOULEMENT PARALLELE COCOURANT A CELUI DU JET. IL A ETE ABORDE D'ABORD DU POINT DE VUE DE LA SIMILITUDE, CE QUI A DONNE LIEU A UNE PREDETERMINATION DE L'ECOULEMENT MOYEN. L'ETUDE EXPERIMENTALE, REALISEE POUR PLUSIEURS VITESSES D'ENTRAINEMENT, A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE L'INFLUENCE DE L'ECOULEMENT EXTERIEUR ET DU CONFINEMENT SUR LE JET. DES MESURES CONDITIONNELLES NOUS ONT PERMIS D'EXAMINER LE SIGNAL INTERMITTENT ET D'EN DONNER UNE DESCRIPTION STATISTIQUE, L'ETUDE SPECTRALE APPROFONDIE QUI A ETE REALISEE RENDANT POSSIBLE, QUANT A ELLE, UNE CARACTERISATION COMPLETE DE L'ECOULEMENT PAR LES ECHELLES TURBULENTES QUI PEUVENT ETRE DEDUITES DE CETTE ANALYSE. LA MESURE DES MOMENTS D'ORDRE SUPERIEURS A DEUX DE LA FLUCTUATION LONGITUDINALE ET DE SA DERIVEE TEMPORELLE INDIQUE QUE LE SIGNAL TURBULENT NE PEUT ETRE CONSIDERE ICI COMME GAUSSIEN, NOTAMMENT DANS LA ZONE D'INTERMITTENCE. FINALEMENT, LES GRANDEURS MOYENNES ET TURBULENTES MESUREES MONTRENT QUE CE TYPE D'ECOULEMENT, DANS LA GAMME DES VITESSES D'ENTRAINEMENT CHOISIES, EST QUALITATIVEMENT PROCHE DU JET LIBRE, MEME SI, TOUTEFOIS, ON NOTE UN ECART SENSIBLE AU NIVEAU DE CERTAINS MOMENTS D'ORDRE TROIS INTERVENANT DANS L'EQUATION DE BILAN DE L'ENERGIE CINETIQUE
CE TRAVAIL, DE NATURE EXPERIMENTALE, CONCERNE LES JETS TURBULENTS A MASSE VOLUMIQUE VARIABLE. LES PROPRIETES STATISTIQUES LOCALES, OBTENUES SUR LES CHAMPS DE VITESSE, DE CONCENTRATION MASSIQUE MOYENNE ET DE TEMPERATURE MOYENNE ET FLUCTUANTE SONT INDISPENSABLES TANT POUR UNE MEILLEURE COMPREHENSION PHYSIQUE DES EFFETS DE DENSITE QUE POUR LA MODELISATION DE TELS ECOULEMENTS. LA CONFIGURATION ADOPTEE EST CELLE D'UN JET DE TUBE AXISYMETRIQUE, VERTICAL ET ASCENDANT, FAIBLEMENT CONFINE DANS UN CO-COURANT D'AIR. CES DONNEES PERMETTENT D'ANALYSER L'INFLUENCE DE LA VARIATION DE DENSITE SUR LA STRUCTURE FINE DE LA TURBULENCE. PAR AILLEURS, IL A ETE MIS EN EVIDENCE, POUR LA PREMIERE FOIS, LES VALEURS NEGATIVES DE CERTAINES CORRELATIONS TRIPLES DU CHAMP TURBULENT DE VITESSE DANS LA REGION CENTRALE DES JETS. EN OUTRE, L'EXPLOITATION FINE DES RESULTATS, A TRAVERS LA REALISATION DE BILANS DE CERTAINES EQUATIONS DE CONSERVATION, A PERMIS LA VALIDATION DE CERTAINES MESURES ET SURTOUT L'ESTIMATION DE GRANDEURS N'AYANT PU, VOIRE NE POUVANT, ETRE MESUREES POUR L'INSTANT
Cette étude a été l'occasion d'étudier les effets liés à la présence d'un cisaillement particulier de l'écoulement moyen sur le phénomène d'interaction choc/turbulence. Dans un premier temps, un outil de calcul performant et modulaire fondé sur une approche orientée objet a été développé afin de réaliser des simulations numériques directes de ce type d'écoulement. L'utilisation de schémas numériques à capture de choc et d'ordre élevé de type WENO ont permis une résolution fidèle des équations de Navier-Stokes compressibles. Dans un deuxième temps, une analyse poussée des effets de ce type de cisaillement sur la turbulence en l'absence de choc a été réalisée. Cette première étude a été l'occasion de dégager l'influence de plusieurs paramètres influents pour cette configuration d'écoulement. Enfin, dans un dernier temps, l'étude du phénomène d'interaction choc/turbulence cisaillée en présence de gradients moyens de température et de masse volumique a permis de souligner l'activation de phénomènes physiques caractéristiques à cette configuration. Ce travail permet également d'apporter une base de données de résultats susceptible d'être confrontée avec les modèles de turbulence et constitue un point de vue intéressant pour l'étude du phénomène d'interaction choc/couche limite.
DEFINITION DES CARACTERISTIQUEES DU JET PARIETAL. HISTORIQUE DU SUJET. THEORIE DE GLAUERT PERMETTANT L'EXISTENCE D'UNE SOLUTION SEMBLABLE SELON LAQUELLE LA FORME DES PROFILS DE VITESSE DANS CHAQUE SECTION DU JET RESTE INCHANGEE LE LONG DU JET. ETUDE DE LA STABILITE LINEAIRE ET NON LINEAIRE. RESOLUTION DE L'EQUATION D'ORR-SOMMERFELD EN THEORIE TEMPORELLE ET EN THEORIE SPATIALE. ETUDE EXPERIMENTALE: MESURE DES VITESSES EN PRESENCE D'UN CORPS BIDIMENSIONNEL OU TRIDIMENSIONNEL, MESURES DE TEMPERATURE
L'UN DES FACTEURS LIE AU DECLENCHEMENT DE LA TURBULENCE EN CIEL CLAIR EST UN CISAILLEMENT IMPORTANT DU A DES FORTS GRADIENTS VERTICAUX DE VENT DANS UN FLUIDE STABLE. LE BUT PRINCIPAL ETAIT D'ETUDIER SUR UN MODELE DE LABORATOIRE, DES CONDITIONS DE DECLENCHEMENT DE LA TURBULENCE DANS LES ECOULEMENTS LIBRES STRATIFIES ET D'ESSAYER DE TROUVER DES CORRELATIONS SEMI-EMPIRIQUES ENTRE LES CONDITIONS INITIALES DONNANT NAISSANCE A LA TURBULENCE ET LES CARACTERISTIQUES DE CELLE-CI. COMME PREMIERE ETAPE, LE BUT A ETE L'ETUDE STRICTEMENT DYNAMIQUE (SANS STRATIFICATION THERMIQUE) DES CONDITIONS DE DECLENCHEMENT ET DE LA STRUCTURE D'UN ECOULEMENT TURBULENT, QUASI-BIDIMENSIONNEL, ETABLI DANS UN CANAL, CREE PAR DES PERTES DE CHARGES A L'ENTREE. POUR LA CREATION DE CES DERNIERES ET LA REALISATION DES PROFILS DES V, ON A UTILISE PLUSIEURS DISTRIBUTIONS GEOMETRIQUES DE GRILLAGE A MAILLES FINES, ET ON S'EST PLACE A LA SORTIE D'UN JET LIBRE SE DEVELOPPANT DANS UN CANAL BIDIMENSIONNEL. INTERPRETATION ET SYNTHESE DES RESULTATS.
