ETUDE THEORIQUE D'UN ECOULEMENT TURBULENT A PARTIR DU MODELE BRAY-MOSS-LIBBY. DEUX MODELES DE FERMETURE POUR LES TERMES DE TRANSPORT TURBULENTS

La prédiction des écoulements turbulents à bulles nécessite de connaître et de modéliser les conditions aux limites à la paroi, en particulier lorsque les bulles sont générées à la paroi. Dans cette optique, nous étudions par voie expérimentale l'injection de petites bulles d'air à la paroi inférieure d'un canal horizontal dans un écoulement d'eau turbulent isotherme, bidimensionnel et établi. La distribution des phases, les vitesses et diamètres de bulles sont caractérisés à l'aide d'une sonde à fibres optiques. Les composantes de la vitesse du liquide ainsi que le frottement turbulent sont mesures par anémométrie a film chaud. Le développement longitudinal de la couche de bulles, ainsi que les mécanismes de mise en vitesse des inclusions sont étudiés. Nous montrons la similitude des profils de taux de vide et le rôle joué par les interactions entre les bulles et avec la turbulence du liquide, sur les transferts de quantité de mouvement entre les phases. L'excès des fluctuations de vitesse de la phase liquide près de la paroi est analysé et attribué en grande partie au glissement des bulles. Nous montrons qu'aucune influence de la rugosité des bulles à la paroi n'est à prendre en compte. La loi logarithmique des vitesses est valable, mais l'universalité de la pente est remise en cause. Le frottement turbulent est calculé et comparé aux mesures. Parmi les mécanismes prépondérants qui contribuent à l'augmentation du frottement de paroi, nous mettons en évidence en plus du rôle de l'allégement du fluide par l'injection des bulles, l'influence du développement de l'écoulement moyen. Un complément d'analyse est réalisé sur des mesures de la littérature en écoulement bouillant ascendant de freon 113. La turbulence de la phase liquide se trouve fortement modifiée à la fois par la nucléation de bulles de vapeur à la paroi et par les forces de gravite qui provoquent un glissement important des bulles.

LES TRAVAUX REALISES DANS CETTE ETUDE S'INSCRIVENT DANS LE CADRE DE L'ANALYSE DES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES. ELLE CONCERNE PLUS PARTICULIEREMENT LES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES PULSES EN CANAL. LE CHOIX DE CETTE CONFIGURATION A ETE FAITE DANS LE BUT D'ETUDIER SEPAREMENT L'INFLUENCE DES DIFFERENTS PARAMETRES QUI GERENT CE TYPE D'ECOULEMENT. LE TRAVAIL RAPPORTE CONCERNE: (I) LA VALIDATION D'UN CODE DE CALCUL ; (II) UNE ANALYSE PHYSIQUE: *TOUT D'ABORD, DANS LE CAS LAMINAIRE, *DANS LE CAS TRANSITIONNEL, PAR L'ETUDE DE L'INFLUENCE DE L'INSTATIONNARITE SUR LA TRANSITION DE LA COUCHE LIMITE, *ENFIN, DANS LE CAS PLUS COMPLEXE A SAVOIR L'ETAT TURBULENT OU UNE ETUDE PARAMETRIQUE S'AVERA UTILE DANS LA COMPREHENSION DES MECANISMES PHYSIQUES DE CE TYPE D'ECOULEMENT AINSI QUE DANS LE COMPORTEMENT DES DIFFERENTS MODELES DE TURBULENCE ; (III) UNE EVALUATION DES MODELES DE FERMETURE A ZERO EQUATION, A DEUX EQUATIONS ET A FAIBLES NOMBRES DE REYNOLDS DE TURBULENCE AINSI QU'UN MODELE AUX CONTRAINTES DE REYNOLDS ; (IV) LE BUT ULTIME DE CETTE ANALYSE DEVRA NOUS CONDUIRE A UNE MEILLEURE MODELISATION DES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES

Le but de ce travail est l'etude d'ecoulements turbulents non reactifs evoluant dans la chambre de combustion d'une machine a compression rapide. Dans un premier temps, nous procedons a une description detaillee de la machine et de ses performances en matiere de mesures. Quelques resultats experimentaux obtenus dans le cas des melanges reactif et non reactif sont presentes et discutes. Ensuite, la formulation mathematique d'un ecoulement de fluide non reactif subissant une compression dans la chambre de combustion de la machine est proposee. Les methodes numeriques adoptees pour la resolution des equations regissant l'ecoulement considere sont celles proposees par le code de calcul kiva ii. Ce dernier est l'objet d'une description succincte et les differentes modifications dont il a fait objet sont mentionnees. Les resultats des differentes simulations numeriques, montrent un relatif bon accord avec ceux issus de l'experience. Un resultat important a ete retenu, il concerne la mise en evidence d'une zone de temperature de cur qui evolue d'une zone centrale en fin de compression a une position en couronne en post compression. Cette couronne est localisee a chaque instant de la post compression au meme endroit que la zone de forte turbulence. Le comportement de la turbulence dans les chambre est initialement etudie en utilisant un modele de sous-mailles et le modele k-e standard. Ces deux modeles predisent une importante augmentation de l'intensite de la turbulence pendant la phase de compression. Pour mieux apprehender l'evolution de la turbulence, d'autres modeles k-e modifies ont ete testes. Une etude parametrique et comparative de ces differents modeles est alors proposee.

LA COMPREHENSION DES ECOULEMENTS INTERNES A INJECTION PARIETALE ENTRAVES PAR DES SEGMENTS CONSTITUE L'OBJECTIF PRINCIPAL DE CE MEMOIRE. LES DOMAINES D'APPLICATIONS, BIEN QU'ILS PUISSENT ETRE MULTIPLES, INTERVIENNENT DANS LE CADRE DE LA PREVISION DES INSTABILITES DE FONCTIONNEMENT DES PROPULSEURS SEGMENTES A PROPERGOL SOLIDE. UNE APPROCHE EN GAZ FROID A PARTIR D'UNE MAQUETTE DE SIMULATION, REPRODUISANT DES CONDITIONS D'INSTABILITES AERODYNAMIQUES SIMILAIRES, PERMET D'APPREHENDER LES ASPECTS FONDAMENTAUX ENGENDRES SOIT PAR LE TRANSFERT DE MASSE A LA PAROI, SOIT PAR LA PRESENCE DE SEGMENT, SOIT PAR LEUR INTERACTION. L'ETUDE DE L'ECOULEMENT AVEC PRESENCE DE CAVITE DEBITANTE ET DE SEGMENT ENTRAVANT LE DEVELOPPEMENT DE L'ECOULEMENT A ETE ENTREPRISE. UNE COUCHE DE CISAILLEMENT TURBULENTE A ETE IDENTIFIEE ; LA DEGRADATION LONGITUDINALE DE LA MEMOIRE DE L'ECOULEMENT S'IDENTIFIE A CELLE D'UNE COUCHE LIMITE EN CONVECTION FORCEE. EN AVAL DU SEGMENT, UNE PHASE DE DEVELOPPEMENT DES STRUCTURES TURBULENTES A ETE IDENTIFIEE. LA PERSISTANCE DE LA MEMOIRE DE LA TURBULENCE INDIQUE UNE PHASE DE TRANSPORT ET DE CONVECTION DE CES STRUCTURES. LA PAROI DEBITANTE NE DETRUIT PAS LES STRUCTURES TURBULENTES MAIS AU CONTRAIRE, JOUE UN ROLE D'AUTO-ENTRETIEN DE LA STRUCTURE FINE DE L'ECOULEMENT. UNE MODELISATION NUMERIQUE DE LA COUCHE DE CISAILLEMENT A PERMIS DE QUANTIFIER LA PRODUCTION DE LA TURBULENCE ET SA DIFFUSION EN AVAL DU SEGMENT, ET, SOULIGNE QUE L'INJECTION PARIETALE EMPECHE ET REPOUSSE LA DIFFUSION DE LA TURBULENCE A PROXIMITE DE LA PAROI DEBITANTE. UN BON ACCORD EST OBSERVE ENTRE LES RESULTATS NUMERIQUES ET EXPERIMENTAUX

Ce travail est consacré à la simulation numérique des grandes échelles des écoulements turbulents inertes et réactifs en aval d’un élargissement brusque symétrique, alimenté par deux écoulements de canal pleinement développés. L’objectif de cette étude est, dans un premier temps, d’explorer les possibilités offertes par la résolution d’équations différentielles stochastiques (EDS) permettant d'imposer des conditions aux limites instationnaires et initialiser un calcul utilisant la simulation numérique des grandes échelles (LES). Cette méthode de génération de conditions aux limites instationnaires a ensuite été introduite au sein d’un code de mécanique des fluides réactifs de type LES utilisant un modèle de sous-maille de type Smagorinsky ainsi qu’un modèle de combustion de type Eddy-Break-Up. Les résultats décrivent la structure de l’écoulement dans les trois cas (1) d’un fluide inerte, (2) d’un mélange de deux fluides inertes non isothermes et (3) de combustion d’un mélange très pauvre. Les résultats soulignent que l’introduction de conditions d’entrée générées par EDS permet de mieux représenter les champs fluctuants avec des propriétés correspondantes aux mesures expérimentales disponibles. En ce qui concerne les écoulements inertes en aval de l’élargissement brusque, on retrouve bien la dissymétrie observée expérimentalement entre les deux zones de recirculation. Celle-ci est engendrée par une légère différence entre les vitesses d’entrée dans les deux canaux. L’étude de l’écoulement dans le cas où les deux canaux sont alimentés par des fluides inertes mais de températures différentes, a permis de caractériser l’influence du gradient transversal de température à l’entrée et des conditions d’entrée sur le développement de la couche de mélange en aval. Pour les écoulements réactifs, la structure de l’écoulement dans la chambre est altérée, notamment par la variation des longueurs des zones de recirculation, et l’analyse instationnaire a permis de mettre en évidence l’existence d’un faible battement du front de flammes dans la chambre.