LES PHENOMENES DE MELANGE ENTRE DEUX FLUIDES INTERVIENNENT DANS BON NOMBRE D'APPLICATIONS INDUSTRIELLES, EN PARTICULIER DANS LE DOMAINE DE LA PROPULSION, OU CES MELANGES S'EFFECTUENT A TRES HAUTE VITESSE. CE TYPE D'ECOULEMENT FAIT L'OBJET, A L'HEURE ACTUELLE, DE RECHERCHES INTENSIVES. LA PRESENTE ETUDE S'INTERESSE AU CAS D'UN JET FORTEMENT CHAUFFE. ELLE S'EFFECTUE A LA FOIS SUR LE PLAN EXPERIMENTAL ET SUR LE PLAN NUMERIQUE. POUR LA PRESENTE ETUDE, TROIS VALEURS DE TEMPERATURE D'ARRET DU JET ONT ETE SELECTIONNEES: 330 K (IDENTIQUE A LA TEMPERATURE D'ARRET DE L'ECOULEMENT EXTERIEUR), 670 K ET 1040 K. LES MESURES PRESENTEES ONT ETE REALISEES AU MOYEN DE SONDES DE PRESSION, D'UN THERMOCOUPLE ET D'UN VELOCIMETRE LASER BIDIRECTIONNEL. DES DIFFICULTES METROLOGIQUES ONT ETE RENCONTREES AU COURS DE L'EXPERIENCE. AUSSI, NOUS AVONS DEVELOPPE UN CHAPITRE SUR LES METHODES DE MESURE ET LEURS CONTROLES. LES RESULTATS DE CETTE EXPERIENCE MONTRENT DES ANALOGIES AVEC LE CAS DES COUCHES DE MELANGE PLANES COMPRESSIBLES. LES TAUX D'EVASEMENT DE LA COUCHE DE MELANGE DES JETS, NORMALISES PAR LEURS HOMOLOGUES INCOMPRESSIBLES ONT DES COMPORTEMENTS TOUT A FAIT IDENTIQUES A CEUX DES COUCHES DE MELANGE PLANES. MALGRE CES RESSEMBLANCES, LA PRESENCE DE LA COUCHE LIMITE INITIALE SUR L'EJECTEUR PERTURBE FORTEMENT L'EXPANSION DES JETS. ELLE EST RESPONSABLE DE L'ABSENCE DE SIMILITUDE, SURTOUT DANS LE CAS DU JET A TEMPERATURE D'ARRET CONSTANTE. UNE ETUDE NUMERIQUE PARALLELE A ETE ENTREPRISE. UN CODE DE CALCUL RESOLVANT LES EQUATIONS DE MOUVEMENT MOYENNEES DANS LE CADRE DE L'HYPOTHESE DE COUCHE MINCE A ETE UTILISE. DANS CES CALCULS LA MODELISATION DES TERMES TURBULENTS EST LIMITEE A DES MODELES DE TYPE LONGUEUR DE MELANGE. MALGRE LA SIMPLICITE DU MODELE, NOUS AVONS PU REMARQUER QUE LA MASSE VOLUMIQUE DU JET EST IMPORTANTE POUR REPRESENTER CE GENRE D'ECOULEMENT

Compressibility, Turbulence and High Speed Flow introduces the reader to the field of compressible turbulence and compressible turbulent flows across a broad speed range, through a unique complimentary treatment of both the theoretical foundations and the measurement and analysis tools currently used. The book provides the reader with the necessary background and current trends in the theoretical and experimental aspects of compressible turbulent flows and compressible turbulence. Detailed derivations of the pertinent equations describing the motion of such turbulent flows is provided and an extensive discussion of the various approaches used in predicting both free shear and wall bounded flows is presented. Experimental measurement techniques common to the compressible flow regime are introduced with particular emphasis on the unique challenges presented by high speed flows. Both experimental and numerical simulation work is supplied throughout to provide the reader with an overall perspective of current trends. - An introduction to current techniques in compressible turbulent flow analysis - An approach that enables engineers to identify and solve complex compressible flow challenges - Prediction methodologies, including the Reynolds-averaged Navier Stokes (RANS) method, scale filtered methods and direct numerical simulation (DNS) - Current strategies focusing on compressible flow control

Publisher Description

LES EQUATIONS INSTATIONNAIRES, INCOMPRESSIBLES DE NAVIER-STOKES, SONT RESOLUES PAR UNE METHODE DE TYPE VOLUMES FINIS, AFIN D'ETUDIER ET D'ANALYSER LES TRANSFERTS COUPLES DE QUANTITE DE MOUVEMENT, DE CHALEUR ET DE MASSE AU SEIN D'UN ECOULEMENT DE TYPE JET SEMI-CONFINE. DEUX ALGORITHMES DE RESOLUTION ONT ETE UTILISEES: LA METHODE DU LAGRANGIEN AUGMENTE ET UNE METHODE DE PROJECTION. L'ANALYSE PHYSIQUE DU COMPORTEMENT DU JET ISOTHERME MONO-CONSTITUANT MONTRE, POUR DES NOMBRES DE REYNOLDS COMPRIS ENTRE 10 ET 4000, L'EXISTENCE DE DEUX REGIMES D'ECOULEMENTS DIFFERENTS. UN REGIME STATIONNAIRE PRESENTANT UN MODE SYMETRIQUE OU ASYMETRIQUE, SUIVANT LA VALEUR DU REYNOLDS, ET UN REGIME INSTATIONNAIRE PERIODIQUE, DE TYPE ALLEE TOURBILLONNAIRE ALTERNEE DE VON-KARMAN. LA NATURE DE L'INSTABILITE DE JET QUI CONDUIT A CE REGIME PERIODIQUE AUTO-ENTRETENU EST ANALYSEE. DANS UN DEUXIEME TEMPS, NOUS AVONS ETUDIE LE CAS DU JET SOUMIS A UN GRADIENT THERMIQUE VERTICAL CONDUISANT A UN REGIME DE CONVECTION MIXTE DE TYPE RAYLEIGH-BENARD. NOUS NOUS SOMMES PRINCIPALEMENT ATTACHE A L'ANALYSE DE LA PHASE TRANSITOIRE OU L'INSTABILITE DONNE NAISSANCE A DES ROULEAUX TRANSVERSAUX, ET A L'INFLUENCE DU PARAMETRE DE FORME CARACTERISANT L'OUVERTURE DE PENETRATION DU JET PAR RAPPORT A LA LARGEUR DU DOMAINE. NOUS ETUDIONS ENSUITE LE CAS OU LE FLUIDE INJECTE ET LE FLUIDE AMBIANT, SONT DE NATURE DIFFERENTE. APRES AVOIR ABORDE LE CAS DU MELANGE, OU LES FLUIDES DIFFUSENT L'UN DANS L'AUTRE, NOUS AVONS DEVELOPPE UNE METHODE ORIGINALE, POUR LE TRAITEMENT DES ECOULEMENTS AVEC INTERFACE LORSQUE LES DEUX FLUIDES EN PRESENCE SONT IMMISCIBLES. ENFIN DANS UNE DERNIERE PARTIE, NOUS ENVISAGEONS LE PROBLEME COMPLEXE, OU L'ON A SUPERPOSITION D'UN GRADIENT THERMIQUE ET MASSIQUE DANS LE JET. DANS LA PHASE TRANSITOIRE, ON MONTRE DANS QUELLES MESURES, LES STRUCTURES THERMO-CONVECTIVES GENEREES PAR L'INSTABILITE DE RAYLEIGH-BENARD, SONT INFLUENCEES PAR LE GRADIENT DE CONCENTRATION

Ce travail porte sur l'étude par simulation numérique de jets ronds coaxiaux à fort rapport de vitesse avec une attention particulière portée sur trois aspects : la transition de ces jets vers la turbulence, le mélange dans cette configuration d'écoulement et l'influence du nombre de Reynolds sur ces deux précédents points. Dans un premier temps, nous réalisons des simulations numériques directes de jets coaxiaux à un nombre de Reynolds modéré. Ces jets générent une région de recirculation lorsque le rapport des vitesses entre les jets externe et interne dépasse une valeur critique. Les anneaux de Kelvin-Helmholtz intérieurs et extérieurs ont un développement couplé. Ils sont convectés avec une même fréquence de passage contrôlée par la couche cisaillée extérieure. Ensuite, comme pour les jets ronds, des tourbillons longitudinaux contra-rotatifs apparaissent initiant la tridimensionnalisation de l'écoulement. La région de recirculation influence les anneaux de Kelvin-Helmholtz internes en les ralentissant et en les étirant longitudinalement. Deux modèles théoriques prédisant des grandeurs globales du jet (la longueur du cône potentiel interne et la valeur du rapport de vitesse critique au-delà duquel la région de recirculation apparaît) montrent l'influence de l'épaisseur de quantité de mouvement intérieure initiale. Les propriétés de mélange ont ensuite été étudiées en résolvant l'équation de transport d'un traceur simultanément aux équations de Navier-Stokes. Les structures cohérentes de l'écoulement contrôlent le processus de mélange. Les tourbillons longitudinaux augmentent le mélange par un phénomène d'éjection du traceur en périphérie du jet. Cependant, la configuration initiale du jet montre que des poches de traceur non mélangé persistent à la fin de la transition. Les modifications des conditions d'entrée du jet diminuant ces poches sont celles qui permettent une génération plus précoce ou plus intense de structures longitudinales. C'est le cas de la région de recirculation qui étire longitudinalement les structures. De la même façon, un forçage azimutal de la couche cisaillée externe (qui domine la dynamique) améliore nettement le mélange et semble être plus performant qu'un forçage axisymétrique en ce qui concerne le mélange en champ proche. Pour finir, nous avons réalisé des simulations des grandes échelles de jets coaxiaux à hauts nombres de Reynolds. L'auto-similitude des jets coaxiaux en turbulence pleinement développée a permis une validation sur les données expérimentales. Les quantités globales des jets coaxiaux sont fortement dépendantes du nombre de Reynolds jusqu'à ce que celui-ci atteigne une valeur de l'ordre de 10000. Au-delà de cette valeur, ces quantités sont quasi-indépendantes du nombre de Reynolds en raison du phénomène de ``mixing transition'' qui implique une déstabilisation tridimensionnelle immédiate du jet. Cette déstabilisation précoce des couches cisaillées conduit la région de recirculation à un comportement instationnaire. Enfin, cela permet une nette amélioration du mélange avec un phénomène d'éjection du traceur proche de l'entrée du jet.

Ce travail porte sur l'étude par simulation numérique de jets ronds coaxiaux à fort rapport de vitesse avec une attention particulière portée sur trois aspects : la transition de ces jets vers la turbulence, le mélange dans cette configuration d'écoulement et l'influence du nombre de Reynolds sur ces deux précédents points. Dans un premier temps, nous réalisons des simulations numériques directes de jets coaxiaux à un nombre de Reynolds modéré. Ces jets générent une région de recirculation lorsque le rapport des vitesses entre les jets externe et interne dépasse une valeur critique. Les anneaux de Kelvin-Helmholtz intérieurs et extérieurs ont un développement couplé. Ils sont convectés avec une même fréquence de passage contrôlée par la couche cisaillée extérieure. Ensuite, comme pour les jets ronds, des tourbillons longitudinaux contra-rotatifs apparaissent initiant la tridimensionnalisation de l'écoulement. La région de recirculation influence les anneaux de Kelvin-Helmholtz internes en les ralentissant et en les étirant longitudinalement. Deux modèles théoriques prédisant des grandeurs globales du jet (la longueur du cône potentiel interne et la valeur du rapport de vitesse critique au-delà duquel la région de recirculation apparaît) montrent l'influence de l'épaisseur de quantité de mouvement intérieure initiale. Les propriétés de mélange ont ensuite été étudiées en résolvant l'équation de transport d'un traceur simultanément aux équations de Navier-Stokes. Les structures cohérentes de l'écoulement contrôlent le processus de mélange. Les tourbillons longitudinaux augmentent le mélange par un phénomène d'éjection du traceur en périphérie du jet. Cependant, la configuration initiale du jet montre que des poches de traceur non mélangé persistent à la fin de la transition. Les modifications des conditions d'entrée du jet diminuant ces poches sont celles qui permettent une génération plus précoce ou plus intense de structures longitudinales. C'est le cas de la région de recirculation qui étire longitudinalement les structures. De la même façon, un forçage azimutal de la couche cisaillée externe (qui domine la dynamique) améliore nettement le mélange et semble être plus performant qu'un forçage axisymétrique en ce qui concerne le mélange en champ proche. Pour finir, nous avons réalisé des simulations des grandes échelles de jets coaxiaux à hauts nombres de Reynolds. L'auto-similitude des jets coaxiaux en turbulence pleinement développée a permis une validation sur les données expérimentales. Les quantités globales des jets coaxiaux sont fortement dépendantes du nombre de Reynolds jusqu'à ce que celui-ci atteigne une valeur de l'ordre de 10000. Au-delà de cette valeur, ces quantités sont quasi-indépendantes du nombre de Reynolds en raison du phénomène de ``mixing transition'' qui implique une déstabilisation tridimensionnelle immédiate du jet. Cette déstabilisation précoce des couches cisaillées conduit la région de recirculation à un comportement instationnaire. Enfin, cela permet une nette amélioration du mélange avec un phénomène d'éjection du traceur proche de l'entrée du jet.

On réalise deux modèles numériques: le premier modèle basé sur l'hypothèse d'un écoulement isentropique et irrotationnel, a été utilisé pour décrire le noyau central du jet. L'évolution, ainsi calculée pour le nombre de mach et la masse volumique au sein du jet, concorde avec celle obtenue antérieurement par d'autres méthodes. Le second modèle, plus général, permet de décrire la totalité de l'écoulement, en particulier la partie rotationnelle du jet. Les positions de la frontière et du choc latéral sont calculées pour différentes conditions de détente. Bon accord avec les données bibliographiques. Détermination expérimentale de la masse volumique locale et de la position du choc latéral