Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale d'un jet en interaction avec un écoulement transverse de paroi (Jet In Cross-Flow, JICF). L'écoulement est monophasique et isotherme. Le ratio des vitesses (VR) de jet et d'écoulement est bas, et le jet est affleurant à la paroi, avec des géométries d'injection diverses : circulaires, elliptiques, rectangulaires, et chevrons. Cette étude a été réalisée en canal hydraulique à l'aide d'une méthode de vélocimétrie volumique optique (V3V) qui permet la mesure instantanée des 3 composantes du champ de vitesses, et l'ensemble du processus expérimental a été optimisé. La physique du JICF est analysée à l'aide des champs moyen et instantané, de statistiques et du suivi spatial de structure tourbillonnaire cohérentes. L'influence du VR sur la topologie d'écoulement est étudiée, et met en évidence l'existence d'une transition de soufflage à très bas ratios de vitesse. Nous étudions en détail les trajectoires et l'évolution des intensités tourbillonnaires des vortex composant le JICF, et un nouveau scaling de trajectoire est proposé. Les outils développés pour l'analyse du JICF rond ont été appliqués aux JICF non circulaires. La géométrie d'injection chevron conserve à la fois une intensité tourbillonnaire élevée et une trajectoire basse de jet, maximisant ainsi l'effet sur la couche limite. L'ensemble de ces résultats permettent une meilleure connaissance des jets transverses à bas VR, et seront très utiles pour la conception d'expériences de contrôle d'écoulement, en apportant des critères quantitatifs pour choisir les bons paramètres physiques et géométriques définissant les générateurs de vortex fluidiques

Un jet carré dans un écoulement transverse est étudié, expérimentalement, en régime inertiel et de convection mixte pour un nombre de Reynolds de 500 et des taux d’injection compris entre 0,17 et 2,13. Les visualisations de l’écoulement mettent en exergue les principales structures tourbillonnaires du champ proche. Le développement d’un dispositif de mesures couplées de la vitesse (PIV) et de la concentration (LIF) a permis d’obtenir des résultats résolus en temps. Leur exploitation met en évidence la topologie de l’écoulement et les grandeurs géométriques caractéristiques du mélange. Les mécanismes à l’origine de la déstabilisation de la frontière supérieure du jet sont exposés. Les mesures de vitesses par vélocimétrie par imagerie de particules tomographique quasi-résolues en temps permettent de décrire plus précisément des structures du sillage, notamment l’évolution des tourbillons ascendants et de la paire de tourbillons contrarotatifs. Des liens entre le mélange et le champ cinématique de l’écoulement sont établis. Une très faible variation de la masse volumique transforme l’écoulement. Le jet dense forme un bulbe, la structure en fer à cheval est intensifiée et de nouvelles structures tourbillonnaires apparaissent dans le sillage. Le bulbe, animé par les forces visqueuses et la poussée d’Archimède, est le lieu du mélange. La couche de cisaillement génère des tourbillons dont l’évolution est fortement influencée par le couple barocline. Une augmentation du taux d’injection modifie l’écoulement. Le mélange dans son sillage est amélioré sous l’influence des forces de flottabilité.

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.

ON ETUDIE LA PULVERISATION NUMERIQUE DE JETS ET DE NAPPES LIQUIDES. DANS LA PREMIERE PARTIE ON PRESENTE UNE REVUE BIBLIOGRAPHIQUE DU PROBLEME OU SONT PRESENTES, LA THEORIE DES INSTABILITES DE KELVIN-HELMHOLTZ ET DIFFERENTS RESULTATS EXPERIMENTAUX ANTERIEURS. DANS LA SECONDE PARTIE ON PRESENTE DIFFERENTES METHODES NUMERIQUES : TECHNIQUE DE SUIVI D'INTERFACE (VOLUME OF FLUID), DE CALCUL DES EFFORTS DE TENSION DE SURFACE (CSF) ET DE RESOLUTION DES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES (MAC CORMACK). LA DERNIERE PARTIE PRESENTE UNE METHODE PARTICULAIRE (SPH) PERMETTANT DE TRAITER DES INTERACTIONS D'ECOULEMENTS LIQUIDES ET GAZEUX. LES PRINCIPAUX PHENOMENES INTERFACIAUX, TELS QUE LA TENSION DE SURFACE ET LA VAPORISATION SONT PRIS EN COMPTE. DES CALCULS 2D ET 3D DE DEFORMATION DE JETS LIQUIDES DANS DES ECOULEMENTS GAZEUX SUPERSONIQUES SONT ANALYSES ET COMPARES AVEC DES RESULTATS EXPERIMENTAUX.

On étudie expérimentalement l'interaction d'un jet issu d'une fine fente rectangulaire perpendiculaire à un écoulement transversal en milieu confiné. Différentes techniques optiques non intrusives (tomographies laser à fluorescence induite, anémométrie laser à effet doppler, filets colorés, particle streak velocimetry, particle tracking velocimetry) sont employées afin d'appréhender cette configuration complexe. Dans une première partie de l'étude, une description de l'écoulement moyen est obtenue par le biais de relevés anémométriques et de visualisations réalisées dans les trois directions normales. Les résultats montrent, d'une part, l'influence du nombre de Reynolds dépitant et du rapport d'injection sur différentes caractéristiques de l'écoulement moyen et, d'autre part, nous permettent d'effectuer une topologie relativement fine de la structure de l'écoulement. Dans une seconde partie, nous nous attachons à décrire l'aspect instationnaire de l'interaction caractérise principalement par la présence de différentes structures tourbillonnaires (tubes tourbillonnaires transversaux) au niveau des frontières supérieures et inférieures du jet. Les relevés spatio-fréquentiels relatifs aux structures inférieures montrent que la perte de stabilité du jet est liée, pour de faibles vitesses, à un système d'amplification dans lequel différents phénomènes sont couples (sillage - kelvin-helmholtz et amplification due à la géométrie elliptique des tourbillons contrarotatifs longitudinaux). Enfin, nous nous intéressons aux différentes évolutions des structures cohérentes à l'aval de l'injection (déchirement, détachement, destruction par impact, coalescence tourbillonnaire). Une attention plus particulière est portée au mode de coalescence tourbillonnaire qui se révèle être un processus purement tridimensionnel

UN JET DE FLUIDE SOUMIS A UN ECOULEMENT TRANSVERSAL GENERE UNE DYNAMIQUE TRES COMPLEXE, DONT LA DESCRIPTION ET LA PREDICTION CONSTITUENT UN ENJEU TANT FONDAMENTAL QU'INDUSTRIEL. L'ETUDE S'APPUIE SUR UNE CORRELATION ETROITE ENTRE L'APPROCHE EXPERIMENTALE ET LA SIMULATION NUMERIQUE DE L'ECOULEMENT. LA CONFIGURATION ETUDIEE CONCERNE UNE BUSE DE SECTION RECTANGULAIRE AYANT UN RAPPORT D'ASPECT DE 2. L'ECOULEMENT TRANSVERSE ET CELUI DU JET SONT TURBULENTS. LES RAPPORTS DE VITESSES U#J/U#T SONT COMPRIS ENTRE 3 ET 6. L'EXPERIMENTATION EST SUCCESSIVEMENT CONDUITE EN CANAL A EAU ET EN SOUFFLERIES. LES RESULTATS PROVIENNENT DE L'ANALYSE DES VISUALISATIONS AINSI QUE DE L'EXPLOITATION DES MESURES DU CHAMP INSTANTANE DE VITESSE ET DE TEMPERATURE PAR VELOCIMETRIE A 2 FILS CHAUDS CROISES ET FIL FROID ET PAR VELOCIMETRIE LASER A EFFET DOPPLER. LES MESURES SONT POUR L'ESSENTIEL REALISEES DANS LE PLAN MEDIAN DU JET. LA NOTION DE LIGNE CENTRALE DU JET EST D'ABORD DEFINIE ET QUANTIFIEE. ENSUITE UNE APPROCHE METROLOGIQUE ORIGINALE PERMET DE MESURER LES GRANDEURS MOYENNES ET LEURS FLUCTUATIONS DANS UN REPERE DE FRENET PORTE PAR LES LIGNES DE COURANT. L'ANALYSE STATISTIQUE DES FLUCTUATIONS PERMET LA DETERMINATION DES ECHELLES DE TURBULENCE, DES FLUX TURBULENTS ET DU NOMBRE DE PRANDTL ASSOCIE. L'ANALYSE FREQUENTIELLE DES DONNEES MONTRE LE CARACTERE FORTEMENT INSTATIONNAIRE DE L'ECOULEMENT. UNE FREQUENCE CARACTERISTIQUE EMERGE NETTEMENT DES QUE LA VITESSE DU JET EST SUFFISANTE. ELLE CORRESPOND A UN NOMBRE DE STROUHAL DE 0.1. LA SIMULATION NUMERIQUE EN VOLUMES FINIS EST MENEE SELON UNE APPROCHE STATIONNAIRE PUIS INSTATIONNAIRE. LA SOLUTION STATIONNAIRE NE CONVERGE PAS VERS LA MOYENNE DES SOLUTIONS INSTATIONNAIRES QUI SE REVELE SEULE EN TRES BONNE CONCORDANCE AVEC L'EXPERIENCE, TANT SUR LES VALEURS MOYENNES QUE SUR LA PREDICTION DES STRUCTURES SPATIO-TEMPORELLES. L'EMISSION PAR UNE BUSE RECTANGULAIRE NE MODIFIE PAS QUALITATIVEMENT L'ORGANISATION SPATIALE ET TEMPORELLE DE L'ECOULEMENT OBSERVE EN BUSE CIRCULAIRE. EN REVANCHE, LA SYNTHESE DE NOS RESULTATS PERMET D'UNE PART DE PRECISER QUANTITATIVEMENT LES CHAMPS DE VITESSE ET DE TEMPERATURE DANS LA CONFIGURATION ETUDIEE ET D'AUTRE PART, DE COMPLETER LA DESCRIPTION HABITUELLEMENT ADMISE DE L'EVOLUTION TEMPORELLE DES DEUX VORTEX CONTRAROTATIFS MARQUANT LE DEVELOPPEMENT DU JET.

Cette étude a pour but de prédire les trajectoire de jets issus des inverseurs de poussée. Ces dispositifs équipent les avions et génèrent une contre-poussée qui permet de freiner l'appareil lorsque celui-ci est au sol en phase d'atterrissage. L'écoulement sort des inverseurs de poussée sous forme de jet. Un tel écoulement est complexe et s'étend sur une grande distance. Nous avons alors opté pour la méthode particulaire de type « Vortex Blob ». Le domaine d'étude est infini, la résolution est instationnaire et la discrétisation limitée aux zones rotationnelles. Celles-ci se retrouvent sous forme de particules porteuses d'une information tourbillonnaire que l'on suit dans leur mouvement de manière lagrangienne. Dans un premier temps, nous passons en revue tous les types d'écoulement de jet et nous ressortons les principales caractéristiques, notamment pour l'écoulement de jet à buse débouchant dans un écoulement transverse où une paire de tourbillons contra-rotatifs apparaît et persiste loin en aval. L'activité tourbillonnaire est intense et l'évolution du jet varie selon le rapport d'injection du jet (vitesse du jet rapporté à la vitesse de l'écoulement transverse). Nous abordons ensuite l'aspect numérique de l'étude présentant la méthode particulaire. Nous utilisons une méthode particulaire tridimensionnelle à laquelle nous avons adapté un algorithme rapide de type « Tree code », un remmaillage global de l'écoulement ainsi qu'un schéma de diffusion de type « Particle Strenght Exchange » qui peut prendre en compte un modèle de Simulation des Grandes Échelles (SGE). Le code est de plus entièrement parallélisé grâce aux librairies MPI. Puis, nous traitons de manière académique les simulations de jets transverses. Nous observons et étudions l'évolution des structures tourbillonnaires existantes dans de tels écoulements en fonction du rapport d'injection du jet, d'une variation temporelle de la vitesse initiale du jet, etc... Dans un dernier temps, nous présentons une méthode hybride de couplage entre des simulations eulériennes et nos simulation lagrangiennes pour traiter des cas industriels. Après une validation de ce méthode de couplage avec décomposition de domaine, nous présentons des simulation complètes d'un avion en phase d'atterrissage. Enfin, nous mettons en évidence un cas de ré ingestion déjà observé expérimentalement en soufflerie.