Etude sur un jet rond d'air se développant dans l'atmosphère et frappant normalement une paroi lisse. La distance d'impact est de six fois le diamètre de la buse. On étudie des écoulements avec des valeurs du nombre de Reynolds de buse de 5500 à 44000. Etude détaillée des structures internes et des frontières libres des régions en amont et en aval de l'impact. Résultats expérimentaux pour les champs de vitesses moyennes les intensités et spectres de fluctuation longitudinales de vitesse intermittente.

Cette thèse présente une étude de la physique et de la modélisation des jets d'impact turbulent. Un code numérique original pour calculer l'écoulement incompressible, instationnaire a été développé. Il est implicite de 2ème ordre de précision en espace et en temps, basé sur la méthode aux volumes finis avec le maillage non-décalé. Les équations de quantité de mouvement sont résolues par la méthode ADI pour le champ de vitesse, pendant que la pression est obtenue en résolvant l'équation de Poisson avec les conditions aux limites de type Neumann par la méthode multigrille. La condition de compatibilité est respectée pour que la solution de l'équation de Poisson existe. Les équations de transfert des grandeurs de la turbulence sont résolues par la même méthode ADI. Toutes les équations sont découplées. Le jet d'impact plan, turbulent avec le nombre de Reynolds Re=6000 et la hauteur H/B=10 de Tsubokura et al. (1997) a été calculé par la méthode Semi-Déterministe avec quatre modèles de turbulence k-epsilon : STD, RNG, LS et LB. Bien que les résultats de calcul soient comparables assez bien avec ceux de l'expérience, cette étude a montré une faiblesse majeure des modèles : ils ne peuvent pas bien décrire les effets de faible nombre de Reynolds turbulent dans un écoulement ayant une configuration complexe. Cette insuffisance a été surmontée en utilisant le nouveau modèle proposé. A la différence de la plupart des modèles, les fonctions d'amortissement du nouveau modèle n'exigent pas la présence de paroi. Avec l'aide du nouveau modèle, la prédiction de la turbulence a été sensiblement améliorée. Les résultats de prédétermination des grandeurs moyennes (temporelles ou d'ensemble) d'un jet d'impact se trouvent aussi améliorés.

Le but de l’étude est l'analyse d'un écoulement généré par l'interaction entre un jet pulsé et un courant principal. Le nombre de Reynolds caractérisant l'écoulement est de 500 et le rapport des vitesses des deux fluides est égal à un. Le forçage est de type sinusoïdal avec une amplitude comprise entre zéro et deux fois la vitesse moyenne du jet. Le paramètre étudié est l'influence de la fréquence de pulsation sur une gamme de 0 à 10 Hz. Une première approche permet à l'aide de visualisations par colorants de caractériser les écoulements générés afin de les classifier en deux catégories. Ces régimes sont séparés par une fréquence caractéristique étant très proche de celle des tourbillons dans le sillage d'un jet continu. La suite du travail consiste en une étude qualitative sur trois fréquences représentatives de ces régimes caractéristiques. L'analyse est effectuée sur des données expérimentales de vélocimétrie par images de particules stéréoscopique (SPIV) et de fluorescence induite par laser (PLIF), ainsi qu'une méthode couplée des deux techniques. Dans un premier temps, une comparaison est faite entre les jets pulsés et le jet continu sur la topologie de la dynamique tourbillonnaire à proximité de la sortie du jet ainsi que dans les zones de sillage. L'étude des différents axes caractéristiques ainsi qu'une étude fréquentielle permettent de mettre en évidence la formation et les trajectoires des tourbillons engendrés par la pulsation. Ensuite, différents critères appliqués sur les champs de concentration favorisent la quantification du mélange et de son efficacité. Le couplage avec les mesures de vitesse offre une explication aux phénomènes liés aux zones stagnantes sous le jet et à la rapidité du processus de mélange. Enfin, la dernière partie est consacrée à une analyse des structures dominantes de l'écoulement à l’aide de la décomposition aux valeurs propres (POD). Après la compréhension de l'organisation des premiers modes spatiaux, une technique de reconstruction tridimensionnelle de l'écoulement est réalisée sur plusieurs plans parallèles sur des champs moyennés en phase. Une dernière approche permet d'ajouter des modes naturels représentant la propagation des tourbillons dans le sillage du jet. Cette technique est une alternative aux mesures tomographiques 3D-3C.

"Cette étude a donc pour but de poursuivre l'enquête de l'aérodynamique oscillatoire des jets impactant des parois courbes, mais pour un régime d'écoulement transitoire, turbulent, tridimentionnel. Les nombres de Reynolds utilisés dans l'étude numérique, basés sur le diamètre du jet linéaire observé, sont de Red = 3333 et 6667, considérés comme étant en transition vers la turbulence. Dans cette étude, un montage numérique est construit. Le maillage, le schéma numérique, les conditions frontière et la discrétisation sont discutés et choisis. Les résultats sont ensuite validésavec des données turbulentes expérimentales."--Sommaire.

L'impact de jets est largement utilisé aujourd'hui dans l'industrie car ils génèrent d'importants transferts de chaleur et/ou de masse. Pour le refroidissement de la surface interne d'une aube de turbine, dans la région à mi-corde, la courbure est si faible que l'on peut, en première approximation, considérer que les jets frappent une paroi plane. Cette hypothèse n'est plus vraie au bord d'attaque où les jets viennent frapper une plaque courbe concave. Malheureusement très peu d'études concernent l'impact de jets sur des parois courbes (une quinzaine au plus, en 30 ans). Pour aborder cette problématique nous avons entrepris, dans ce travail, l'étude aérothermique d'impact d’un jet plan sur une paroi concave. Les résultats indiquent pour certaines configurations qu'il existe un phénomène instationnaire instable : un battement du jet qui se caractérise par une légère oscillation du jet autour de trois positions semi-stables. Cet écoulement est analysé à partir des champs moyens de vitesse et des valeurs turbulentes obtenues par Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV). Les transferts de chaleur sur la paroi d'impact sont déterminés à partir des mesures de température par thermographie infrarouge. Ce battement du jet entraîne une modification très importante de la structure de l'écoulement et du transfert de chaleur qui sont très différents de ceux observés, dans la littérature, pour le cas d'un impact de jet classique. Dans l'optique d'utiliser ce type de phénomène pour l'optimisation du refroidissement d’une paroi concave, nous nous sommes intéressés à l'influence des conditions aux limites (tabs en entrée ou obturateur en sortie) et des principaux paramètres géométriques et dynamiques (hauteur d’impact, nombre de Reynolds,...).

L'étude développée dans ce mémoire constitue une contribution par des moyens numériques et expérimentaux à la caractérisation des écoulements de type jet. A partir du développement d'instabilités hydrodynamiques dans un écoulement de type jet axisymétrique libre évoluant à bas nombres de Reynolds, nous avons étudié plus précisément la transition à la turbulence. L'étude numérique consiste à une résolution numérique des équations de Navier-Stockes régissant les écoulements de type jet circulaire et isotherme en régime laminaire. Notre travail a été orienté particulièrement vers l'étude de l'influence des conditions d'émission du gaz à la section d'injection sur le comportement aérodynamique du jet. Nous présentons également des résultats concernant le champ de concentration. Dans la partie expérimentale, la technique de PIV et la visualisation des écoulements associée aux traitements d'images ont été utilisées afin d'étudier le champ de vitesse, les instabilités hydrodynamiques et la transition à la turbulence dans ce type d'écoulements. L'apparition des instabilités, à partir des modes sinueux et variqueux, et leur évolution vers l'état chaotique (turbulent) sont suivies en fonction du paramètre principal à savoir le nombre de Reynolds.