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.

LE BUT DE CETTE THESE EST L'ANALYSE PHYSIQUE, LA MODELISATION ET LA SIMULATION NUMERIQUE DES MECANISMES DE MELANGE DANS LES JETS A MASSE VOLUMIQUE VARIABLE SOUS L'EFFET DE FORTES INCIDENCES DE DENSITE. DANS UN PREMIER TEMPS, L'OUTIL DE CALCUL PAR RESOLUTION DES EQUATIONS PARABOLIQUES DE PRANDTL AVEC MODELISATION AU SECOND ORDRE EST VALIDE PAR UNE DOUBLE COMPARAISON AVEC L'EXPERIENCE EN SITUATION ISOVOLUME ET A DENSITE VARIABLE. PUIS, UNE REFLEXION EST MENEE SUR L'INFLUENCE DU CHOIX DE REGROUPEMENT STATISTIQUE SUR LA PREDETERMINATION DES PROPRIETES DE MELANGE DES JETS HETEROGENES. L'ANALYSE S'APPUIE SUR LA COMPARAISON DE MODELES ANALOGUES EN MOYENNE PONDEREE PAR LA MASSE VOLUMIQUE OU NON PONDEREE PAR LA MASSE VOLUMIQUE. UNE ETUDE PARAMETRIQUE PERMET DE DETERMINER DES EFFETS DE DENSITE SUR LE DEVELOPPEMENT D'UN JET TURBULENT DE FACON COGNITIVE MAIS AUSSI ANALYTIQUE. L'INFLUENCE DE PARAMETRES, TELS QUE LA GRAVITE ET LES CONDITIONS D'EMISSION EST EGALEMENT DISCUTEE. ENFIN, SONT ABORDES LES ASPECTS SPECIFIQUES DE LA CONFIGURATION GEOMETRIQUE DE JETS COAXIAUX QUI PRESENTE UN INTERET APPLICATIF A L'INJECTION DANS LA CHAMBRE DE COMBUSTION DES MOTEURS FUSEES

CETTE ETUDE A POUR BUT DE COMPRENDRE ET DE MODELISER LES PHENOMENES PHYSIQUES INTERVENANT LORS DU MELANGE DE DEUX JETS DE GAZ NON REACTIF, PRESENTANT DE FORTS GRADIENTS THERMIQUES, A DE FAIBLE NOMBRE DE MACH (INFERIEURS A 0,3). LES CARACTERISTIQUES DYNAMIQUES DES DEUX JETS PERMETTENT DE SUPPOSER QUE L'ECOULEMENT RESULTANT DU MELANGE EST INCOMPRESSIBLE DILATABLE. UNE RESOLUTION NUMERIQUE DES EQUATIONS DE CONSERVATION DU FLUIDE AINSI QUE DES EQUATIONS DE FERMETURE TURBULENTES DE TYPE (K, ) A ETE FAITE PAR UNE METHODE DE VOLUMES FINIS. UNE COMPARAISON DES RESULTATS OBTENUS AVEC DES RESULTATS EXPERIMENTAUX DE LA NASA DANS DES CONFIGURATIONS AXISYMETRIQUES ET SANS RECIRCULATION A PERMIS DE VERIFIER L'HYPOTHESE D'INCOMPRESSIBILITE DANS LA ZONE DE MELANGE ET MIS EN RELIEF L'IMPORTANCE DU NOMBRE DE PRANDTL LIE A LA DIFFUSION TURBULENTE DE LA TEMPERATURE. L'EPAISSEUR DES ZONES DE MELANGES THERMIQUE ET CINETIQUE EST SOUS-EVALUEE PAR LE CALCUL QUELLE QUE SOIT LA VALEUR DE PRANDTL CHOISIE (0,1-1,5). LE MEILLEUR ACCORD ENTRE L'EXPERIENCE ET LE CALCUL A ETE OBTENU, POUR LES PROFILS DE VITESSE ET DE TEMPERATURE, POUR UN PRANDTL EGAL A 0,5, CORRESPONDANT A UNE VALEUR CHOISIE, EN GENERAL, POUR DES JETS LIBRES

CETTE ETUDE EST UNE CONTRIBUTION A LA COMPREHENSION DE LA FORMATION ET DE LA PERSISTANCE DES TRAINEES DE CONDENSATION. NOUS AVONS ABORDE CE TRAVAIL A PARTIR DE LA MISE EN UVRE ET DU DEVELOPPEMENT D'UN CODE NUMERIQUE BASE SUR LA RESOLUTION DIRECTE DES EQUATIONS DES NAVIER-STOKES COMPRESSIBLES TRIDIMENSIONNELLES. NOUS AVONS EGALEMENT MENE UNE EXPERIENCE EN SOUFFLERIE SUR LE PROBLEME DU MELANGE DE JETS CHAUFFES DANS UN SILLAGE D'AILE. UNE PREMIERE VALIDATION DE LA METHODE NUMERIQUE A ETE MENEE A PARTIR DE RESULTATS BIBLIOGRAPHIQUES ET DE MESURES EN VOL SUR L'EVOLUTION DU MELANGE D'UN TRACEUR INERTE CONTENU DANS LES JETS DE MOTEUR. AFIN DE CARACTERISER, EN PREMIERE APPROXIMATION, LA CONDENSATION DANS LE SILLAGE, NOUS AVONS CALCULER L'EVOLUTION DU RAPPORT DE SATURATION LOCALE EN VAPEUR D'EAU. NOUS MONTRONS EGALEMENT L'INFLUENCE DE L'INSTABILITE DE CROW SUR LE MELANGE DES EFFLUENTS DANS LA HAUTE ATMOSPHERE. ENFIN NOUS PRESENTONS UNE COMPARAISON DES RESULTATS D'UNE SIMULATION NUMERIQUE AVEC LES MESURES EXPERIMENTALES OBTENUES DANS CETTE ETUDE. LES RESULTATS NUMERIQUES ONT PERMIS EGALEMENT DE CARACTERISER LES MECANISMES D'ECHANGE A PETITES ECHELLES ENTRE UN JET TURBULENT ET UN ECOULEMENT TOURBILLONNAIRE.

L'injection d'un mélange carburant/comburant dans une chambre de combustion d'un turboréacteur ou d'un moteur-fusée fait intervenir un jet liquide, cisaillé par un gaz rapide. Le jet liquide peut être sous certaines conditions sujet à un phénomène de battement à grande échelle. Ce phénomène, dont les mécanismes de base sont aujourd'hui mal connus, peut avoir des conséquences importantes sur la combustion. Nous réalisons dans ce travail une étude numérique de jets liquides cisaillés par une phase rapide, en portant une attention particulière à l'étude de l'interaction entre les structures tourbillonnaires de la phase rapide et le jet liquide. Une nappe liquide plane cisaillée de part et d'autre par une phase rapide est analysée dans un premier temps . Les mécanismes de déstabilisation de cette nappe liquide sont étudiés, ainsi que le contrôle passif du phénomène de battement. Des jets liquides coaxiaux, cisaillés par une couronne de phase rapide, sont ensuite analysés. Les mécanismes de déstabilisation à grande échelle sont étudiés, ainsi que le contrôle passif et actif de cette déstabilisation. La simulation d'une configuration d'écoulement réaliste eau/air est enfin réalisée, en interaction avec les expérimentateurs du LEGI. Une attention particulière est portée à l'écoulement se produisant au sein de la buse d'injection.

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