Cette étude expérimentale est une contribution à l'amélioration des connaissances de l'influence de la variation de la masse volumique sur le développement des champs dynamique et scalaire de jets turbulents axisymétriques de gaz se développant dans un co-courant d'air. Les différents gaz étudiés sont l'hélium, le méthane, l'air et le co#2, donnant respectivement le rapport des densités suivant : 7,2 ; 1,8 ; 1 et 0,667. Le rapport des vitesses entre le jet et le co-courant est maintenu constant (0,075). Les jets de gaz, issus d'un tube circulaire, débouchent dans un caisson de mélange. La determination complète, tant axiale que radiale, du champ dynamique (vitesses moyennes, variances, moments d'ordre 3 et 4) a été faite grâce à la vélocimétrie doppler laser a deux composantes, ceci en apportant un soin tout particulier à l'optimisation du système d'ensemencement (génération d'un brouillard de gouttelettes d'huile d'olive ayant un diamètre de 1,5 m). L'influence de la variation de densité est notable sur toutes les grandeurs mesurées. Les jets de gaz se mélangent plus vite avec le co-courant d'air que les jets de gaz lourds. La connaissance du champ dynamique instantané nous a permis, à partir de programmes de calcul des densités spectrales d'énergie (bases sur une méthode par intervalles exacts et des transformées de Fourier rapides) d'obtenir des spectres pour chacune des positions axiales explorées. Ainsi, nous avons pu en déduire les échelles caractéristiques de la turbulence dans nos jets à masse volumique variable (macro-échelle de longueur, échelle de taylor et de komogorov), ainsi que d'autres grandeurs importantes (taux de dissipation de l'énergie cinétique de la turbulence, nombre de reynolds turbulent et macro-échelle de temps). L'influence du rapport des densités est également notable sur ces grandeurs. Enfin, une exploration du champ scalaire a été réalisée par la technique de la diffusion de la lumière par effet rayleigh induit par laser sur les mêmes gaz. Nous avons alors obtenu pour chaque gaz les évolutions longitudinales et radiales de la fraction molaire, pour ensuite en déduire l'évolution de la fraction de mélange ainsi que celle de la masse volumique.

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 ETUDE EXPERIMENTALE EST UNE CONTRIBUTION A L'AMELIORATION DES CONNAISSANCES DE L'INFLUENCE DE LA VARIATION DE LA MASSE VOLUMIQUE SUR LE DEVELOPPEMENT DES CHAMPS DYNAMIQUE ET SCALAIRE DE JETS TURBULENTS AXISYMETRIQUES DE GAZ SE DEVELOPPANT DANS UN CO-COURANT D'AIR. LES DIFFERENTS GAZ ETUDIES SONT L'HELIUM, LE METHANE, L'AIR ET LE CO#2, DONNANT RESPECTIVEMENT LE RAPPORT DES DENSITES SUIVANT : 7,2 ; 1,8 ; 1 ET 0,667. LE RAPPORT DES VITESSES ENTRE LE JET ET LE CO-COURANT EST MAINTENU CONSTANT (0,075). LES JETS DE GAZ, ISSUS D'UN TUBE CIRCULAIRE, DEBOUCHENT DANS UN CAISSON DE MELANGE. LA DETERMINATION COMPLETE, TANT AXIALE QUE RADIALE, DU CHAMP DYNAMIQUE (VITESSES MOYENNES, VARIANCES, MOMENTS D'ORDRE 3 ET 4) A ETE FAITE GRACE A LA VELOCIMETRIE DOPPLER LASER A DEUX COMPOSANTES, CECI EN APPORTANT UN SOIN TOUT PARTICULIER A L'OPTIMISATION DU SYSTEME D'ENSEMENCEMENT (GENERATION D'UN BROUILLARD DE GOUTTELETTES D'HUILE D'OLIVE AYANT UN DIAMETRE DE 1,5 M). L'INFLUENCE DE LA VARIATION DE DENSITE EST NOTABLE SUR TOUTES LES GRANDEURS MESUREES. LES JETS DE GAZ SE MELANGENT PLUS VITE AVEC LE CO-COURANT D'AIR QUE LES JETS DE GAZ LOURDS. LA CONNAISSANCE DU CHAMP DYNAMIQUE INSTANTANE NOUS A PERMIS, A PARTIR DE PROGRAMMES DE CALCUL DES DENSITES SPECTRALES D'ENERGIE (BASES SUR UNE METHODE PAR INTERVALLES EXACTS ET DES TRANSFORMEES DE FOURIER RAPIDES) D'OBTENIR DES SPECTRES POUR CHACUNE DES POSITIONS AXIALES EXPLOREES. AINSI, NOUS AVONS PU EN DEDUIRE LES ECHELLES CARACTERISTIQUES DE LA TURBULENCE DANS NOS JETS A MASSE VOLUMIQUE VARIABLE (MACRO-ECHELLE DE LONGUEUR, ECHELLE DE TAYLOR ET DE KOMOGOROV), AINSI QUE D'AUTRES GRANDEURS IMPORTANTES (TAUX DE DISSIPATION DE L'ENERGIE CINETIQUE DE LA TURBULENCE, NOMBRE DE REYNOLDS TURBULENT ET MACRO-ECHELLE DE TEMPS). L'INFLUENCE DU RAPPORT DES DENSITES EST EGALEMENT NOTABLE SUR CES GRANDEURS. ENFIN, UN EXPLORATION DU CHAMP SCALAIRE A ETE REALISEE PAR LA TECHNIQUE DE LA DIFFUSION DE LA LUMIERE PAR EFFET RAYLEIGH INDUIT PAR LASER SUR LES MEMES GAZ. NOUS AVONS ALORS OBTENU POUR CHAQUE GAZ LES EVOLUTIONS LONGITUDINALES ET RADIALES DE LA FRACTION MOLAIRE, POUR ENSUITE EN DEDUIRE L'EVOLUTION DE LA FRACTION DE MELANGE AINSI QUE CELLE DE LA MASSE VOLUMIQUE.

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

UNE CONTRIBUTION A L'ETUDE DES JETS TURBULENTS AXISYMETRIQUES A MASSE VOLUMIQUE VARIABLE EST ASSUREE GRACE A L'ANALYSE EXPERIMENTALE D'UN JET DE MELANGE HELIUM-AIR. CELLE-CI EST REALISEE AU MOYEN D'UNE SONDE ANEMOMETRIQUE A FILS CHAUDS (SONDE D'INTERFERENCE), CONCUE ET ETALONNEE A CET EFFET, PERMETTANT DE DEDUIRE LES PARAMETRES DYNAMIQUE ET MASSIQUE DE L'ECOULEMENT, DES SIGNAUX ENREGISTRES. COMPLETE PAR UN APPAREILLAGE DE VISUALISATION PAR INTERFEROMETRIE, L'ENSEMBLE DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE L'EXISTENCE D'OSCILLATIONS AUTO-ENTRETENUES SOUS LA FORME DE PULSATIONS DU JET. CELLES-CI COEXISTENT AVEC UN PHENOMENE D'INSTABILITE RECEMMENT IDENTIFIE, CARACTERISE PAR L'EVACUATION DU FLUIDE DANS LA DIRECTION RADIALE DU JET, SOUS LA FORME DE JETS LATERAUX. LES MESURES EFFECTUEES ONT PERMIS DE METTRE EN VALEUR L'EFFET DE DENSITE SUR LA TRANSITION A LA TURBULENCE, MAIS ONT PERMIS SURTOUT DE COLLECTER UNE BASE DE DONNEES DES CHAMPS MOYENS ET TURBULENTS DE VITESSE ET CONCENTRATION. CELLE-CI A PERMIS D'APPORTER UNE ANALYSE PRELIMINAIRE QUANT AU COMPORTEMENT DE CES TYPES D'ECOULEMENTS

The General Assembly of the International Union of Theoretical and Applied Mechanics in its meeting on August 28, 1994, selected for 1996 only four Mechanics Symposia, of which ours is the only one related to Fluid Mechanics: Variable Density Low Speed Turbulent Flows. This IUTAM Symposium, organized by the Institut de Recherche sur les Phenomenes Hors Equilibre (Marseille), is the logical continuation of the meetings previously organized or co-organized - on the French or European level, such as Euromech 237, Marseille, 1988 - by the same research group ofMarseille. This meeting focused specifically on the structure of turbulent flows in which density varies strongly : the effect of this variation on the velocity and scalar fields is in no sense negligible. We were mainly concerned with low-speed flows subjected to strong local changes of density as a consequence of heat or mass transfer or of chemical reactions. Compressible turbulent flows - such a!" supersonic ones - were also considered in order to underline their similarities to and their differences from low-speed variable density flows.

L'EFFET DES VARIATIONS DE MASSE VOLUMIQUE SUR LA STRUCTURE FINE DE LA TURBULENCE DANS LES JETS EST ANALYSE DE MANIERE EXPERIMENTALE. LA CONFIGURATION ADOPTEE EST CELLE D'UN JET DE TUBE AXISYMETRIQUE, VERTICAL ET ASCENDANT, FAIBLEMENT CONFINE DANS UN CO-COURANT D'AIR DE VITESSE TRES BASSE. DANS LA SITUATION ETUDIEE D'UN JET D'HELIUM S'EPANOUISSANT DANS L'AIR, LE RAPPORT INITIAL DES MASSES VOLUMIQUES EST DE 0.14. LE CAS DU JET D'AIR, A TEMPERATURE AMBIANTE OU LEGEREMENT CHAUFFE (CONTAMINANT PASSIF) SERVANT DE BASE DE COMPARAISON , EST AUSSI TRAITE. LES TECHNIQUES DE MESURE UTILISEES SONT LA VELOCIMETRIE LASER DOPPLER ET LA THERMOMETRIE A FIL FROID. UN SYSTEME DE MESURE SIMULTANEE DE VITESSE ET DE TEMPERATURE A ETE ELABORE. LE TRAITEMENT DE CES MESURES FOURNIT NOTAMMENT LES FLUX TURBULENTS DE CHALEUR ET LES PROBABILITES CONDITIONNELLES DE TEMPERATURE. L'EXAMEN DE CES RESULTATS PERMET DE MIEUX COMPRENDRE LES MECANISMES DE MELANGE DANS LE JET. UNE ANALYSE FINE DU CHAMP DYNAMIQUE EST AUSSI REALISEE A PARTIR DES ACQUISITIONS DE VITESSE PAR VLD GRACE A L'ETUDE DES SPECTRES ET FONCTIONS DE STRUCTURE. L'INVESTIGATION EST LIMITEE ICI AUX ECHELLES SUPERIEURES A LA MICRO-ECHELLE DE TAYLOR A CAUSE DES TAUX D'ACQUISITIONS PLUS OU MOINS ELEVES DES MESURES DE VITESSE. DANS LES ECOULEMENTS A MASSE VOLUMIQUE VARIABLE, IL S'AVERE QUE LE PARAMETRE FONDAMENTAL RESTE LE NOMBRE DE REYNOLDS DE LA TURBULENCE R#, DE SORTE QUE LES PROPRIETES STATISTIQUES DES ECHELLES DE LA TURBULENCE NE DEPENDENT COMME POUR LES ECOULEMENTS CLASSIQUES QUE DE CE PARAMETRE. NEANMOINS, R# EST LIE AUX CARACTERISTIQUES DE L'ECOULEMENT, A SAVOIR: LE NOMBRE DE REYNOLDS RE#J, EN SORTIE DE BUSE, ET LE FLUX DE QUANTITE DE MOUVEMENT INITIAL M#J, DANS LA ZONE LOINTAINE. ENTRE CES DEUX REGIONS, IL DEPEND A LA FOIS DE RE#J ET M#J