Cette étude expérimentale porte sur la mesure et l'analyse du comportement d'un rideau d'air plan, vertical descendant, lorsqu'il se développe dans un flux uniforme en co-courant. Le rapport r entre la vitesse du cocourant et la vitesse du jet évolue dans la gamme [0; 0, 3] qui comprend le cas du jet plan classique sans co-courant (r = 0). La motivation de l'étude est, pour le laboratoire d'accueil de la thèse (Irstea de Rennes, équipe Aéraulique et Contrôle des Atmosphères Turbulentes), l'apport de connaissances précises sur les rideaux d'air séparateurs d'ambiance, en propreté et en température, pour la maîtrise des ambiances locales dans l'industrie agroalimentaire et plus largement dans le domaine de la sécurité sanitaire des aliments. Cette étude porte principalement sur le cas isotherme, sans différence de température entre le jet et le co-courant, les cas anisothermes étant seulement abordés en investigation réduite dans le dernier chapitre (chap. IV). L'analyse de la turbulence est au centre de cette étude. Elle est menée à partir des différentes grandeurs caractéristiques, dont les profils de tensions de Reynolds et les échelles turbulentes caractéristiques. Elle sous-tend également l'analyse des évolutions des grandeurs moyennes, en particulier l'expansion du profil de vitesse moyenne. Le principal moyen d'investigation expérimentale est l'anémométrie par fils chauds croisés à température constante (CTA). La Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) est utilisée dans le chapitre IV comme moyen insensible à la température, pour les études de cas anisothermes. Le rideau plan en co-courant a été mis en oeuvre dans une soufflerie verticale spécifique dont la veine d'essai a une hauteur utile de deux mètres (chap. II). L'étude s'appuie sur une analyse bibliographique (chap. I) centrée sur les équations de la turbulence appliquées aux jets plans. L'analyse du comportement dans le cas isotherme (chap. III) s'intéresse principalement à l'influence du rapport de vitesse r et du nombre de Reynolds. Un raisonnement mené sur le choix des variables d'adimensionnement pour décrire le comportement du jet amène à proposer un adimensionnement global, à la fois pour l'évolution de la vitesse moyenne sur l'axe, pour l'expansion de l'épaisseur du jet et pour l'évolution des fluctuations rms de vitesse. On obtient ainsi un modèle de comportement généralisable aux différentes valeurs de r pour les jets en co-courant, avec au passage une méthode intéressante pour évaluer par ce biais des caractéristiques du cas limite du jet plan sans co-courant. Les données complètes et précises obtenues par fils croisés permettent, en fin de chapitre III, de mener une description et analyse des échelles caractéristiques de la turbulence. Il apparaît que les échelles intégrales sont cohérentes avec le modèle proposé pour l'expansion du jet et que les échelles de Kolmogorov s'en déduisent ensuite par un recours à un rapport universel, fonction du nombre de Reynolds local.

ETUDE EXPERIMENTALE DE LA STRUCTURE D'UN JET PARIETAL, HORS D'EQUILIBRE, LOIN DU DECOLLEMENT, EN SE PLACANT DANS UNE CONFIGURATION OU CERTAINS MECANISMES DE TURBULENCE SONT MIS EN RELIEF. DESCRIPTION DES MESURES. MESURE DES FLUCTUATIONS DE VITESSE ET DES CONTRAINTES DE REYNOLDS.

CE TRAVAIL EXPERIMENTAL EST CONSACRE A L'ETUDE DE JETS D'AIR PLANS, NON ISOTHERMES, VERTICAUX, EN REGIME DE CONVECTION MIXTE FAVORABLE. IL S'AGIT D'OBSERVER ET DE QUANTIFIER L'INFLUENCE D'UNE CONDITION INITIALE D'INJECTION, A SAVOIR LA FORME DU PROFIL DE VITESSE MOYENNE EN SORTIE DE BUSE DE SOUFFLAGE, SUR LES GRANDEURS QUI CARACTERISENT LE DEVELOPPEMENT DU JET : DEBIT D'ENTRAINEMENT, DEBIT DE QUANTITE DE MOUVEMENT, EPANOUISSEMENT, INTENSITE DE TURBULENCE. ON PRESENTE D'ABORD LE DISPOSITIF EXPERIMENTAL ELABORE QUI COMPREND DEUX PARTIES ESSENTIELLES : UN CIRCUIT DE VENTILATION REGULE EN TEMPERATURE ET UNE BUSE DE SOUFFLAGE, D'UN CONCEPT ORIGINAL, PERMETTANT DE MAITRISER LES CONDITIONS DYNAMIQUES D'INJECTION (FORME DU PROFIL DE VITESSE). ON PRESENTE ENSUITE LES RESULTATS DES MESURES DE VITESSE ET DE TEMPERATURE OBTENUS POUR DIFFERENTES VALEURS DES PARAMETRES, A SAVOIR LE NOMBRE DE REYNOLDS, LE NOMBRE D'ARCHIMEDE ET LA FORME DU PROFIL DE VITESSE. UNE ETUDE COMPARATIVE EST MENEE ENTRE UN JET A PROFIL UNIFORME DE VITESSE ET UN JET AVEC UN PROFIL DE VITESSE DE FORME TRIANGULAIRE. CETTE ETUDE MONTRE LES DIFFERENCES DE COMPORTEMENT ENTRE LES DEUX JETS : LE DEBIT DE FLUIDE ENTRAINE AINSI QUE LES ANGLES D'EPANOUISSEMENT SONT PLUS IMPORTANTS LORSQUE LE PROFIL DE VITESSE EST UNIFORME. DE PLUS, LA REPARTITION DES NIVEAUX DE TURBULENCE DIFFERE TOTALEMENT : LES PICS D'INTENSITE DE TURBULENCE SE SITUENT EN BORD DE JET DANS LES COUCHES DE CISAILLEMENT POUR LE JET A PROFIL UNIFORME DE VITESSE, ALORS QUE POUR LE JET TRIANGULAIRE CEUX-CI SONT LOCALISES AU CENTRE DU JET. DES LOIS D'EVOLUTIONS SONT PROPOSEES POUR CHACUNE DES DIFFERENTES GRANDEURS ETUDIEES. CELLES-CI SONT TRES FORTEMENT DEPENDANTES DE LA VALEUR DU NOMBRE D'ARCHIMEDE DANS LE CAS DU JET PLAT. CETTE SENSIBILITE AUX EFFETS THERMIQUES N'EST PAS OBSERVEE AVEC LE JET TRIANGULAIRE. L'ETUDE S'ACHEVE PAR UNE APPROCHE ORIGINALE DES CARACTERES INSTATIONNAIRES DES JETS, AU MOYEN D'ANALYSES SPECTRALES ET DE DIAGRAMMES DE CORRELATION.

Cette étude expérimentale est une contribution à l'amélioration des connaissances de l'influence de la variation de la masse volumique sur le développement des champs dynamique et scalaire de jets turbulents axisymétriques de gaz se développant dans un co-courant d'air. Les différents gaz étudiés sont l'hélium, le méthane, l'air et le co#2, donnant respectivement le rapport des densités suivant : 7,2 ; 1,8 ; 1 et 0,667. Le rapport des vitesses entre le jet et le co-courant est maintenu constant (0,075). Les jets de gaz, issus d'un tube circulaire, débouchent dans un caisson de mélange. La determination complète, tant axiale que radiale, du champ dynamique (vitesses moyennes, variances, moments d'ordre 3 et 4) a été faite grâce à la vélocimétrie doppler laser a deux composantes, ceci en apportant un soin tout particulier à l'optimisation du système d'ensemencement (génération d'un brouillard de gouttelettes d'huile d'olive ayant un diamètre de 1,5 m). L'influence de la variation de densité est notable sur toutes les grandeurs mesurées. Les jets de gaz se mélangent plus vite avec le co-courant d'air que les jets de gaz lourds. La connaissance du champ dynamique instantané nous a permis, à partir de programmes de calcul des densités spectrales d'énergie (bases sur une méthode par intervalles exacts et des transformées de Fourier rapides) d'obtenir des spectres pour chacune des positions axiales explorées. Ainsi, nous avons pu en déduire les échelles caractéristiques de la turbulence dans nos jets à masse volumique variable (macro-échelle de longueur, échelle de taylor et de komogorov), ainsi que d'autres grandeurs importantes (taux de dissipation de l'énergie cinétique de la turbulence, nombre de reynolds turbulent et macro-échelle de temps). L'influence du rapport des densités est également notable sur ces grandeurs. Enfin, une exploration du champ scalaire a été réalisée par la technique de la diffusion de la lumière par effet rayleigh induit par laser sur les mêmes gaz. Nous avons alors obtenu pour chaque gaz les évolutions longitudinales et radiales de la fraction molaire, pour ensuite en déduire l'évolution de la fraction de mélange ainsi que celle de la masse volumique.

CETTE ETUDE EXPERIMENTALE EST UNE CONTRIBUTION A L'AMELIORATION DES CONNAISSANCES DE L'INFLUENCE DE LA VARIATION DE LA MASSE VOLUMIQUE SUR LE DEVELOPPEMENT DES CHAMPS DYNAMIQUE ET SCALAIRE DE JETS TURBULENTS AXISYMETRIQUES DE GAZ SE DEVELOPPANT DANS UN CO-COURANT D'AIR. LES DIFFERENTS GAZ ETUDIES SONT L'HELIUM, LE METHANE, L'AIR ET LE CO#2, DONNANT RESPECTIVEMENT LE RAPPORT DES DENSITES SUIVANT : 7,2 ; 1,8 ; 1 ET 0,667. LE RAPPORT DES VITESSES ENTRE LE JET ET LE CO-COURANT EST MAINTENU CONSTANT (0,075). LES JETS DE GAZ, ISSUS D'UN TUBE CIRCULAIRE, DEBOUCHENT DANS UN CAISSON DE MELANGE. LA DETERMINATION COMPLETE, TANT AXIALE QUE RADIALE, DU CHAMP DYNAMIQUE (VITESSES MOYENNES, VARIANCES, MOMENTS D'ORDRE 3 ET 4) A ETE FAITE GRACE A LA VELOCIMETRIE DOPPLER LASER A DEUX COMPOSANTES, CECI EN APPORTANT UN SOIN TOUT PARTICULIER A L'OPTIMISATION DU SYSTEME D'ENSEMENCEMENT (GENERATION D'UN BROUILLARD DE GOUTTELETTES D'HUILE D'OLIVE AYANT UN DIAMETRE DE 1,5 M). L'INFLUENCE DE LA VARIATION DE DENSITE EST NOTABLE SUR TOUTES LES GRANDEURS MESUREES. LES JETS DE GAZ SE MELANGENT PLUS VITE AVEC LE CO-COURANT D'AIR QUE LES JETS DE GAZ LOURDS. LA CONNAISSANCE DU CHAMP DYNAMIQUE INSTANTANE NOUS A PERMIS, A PARTIR DE PROGRAMMES DE CALCUL DES DENSITES SPECTRALES D'ENERGIE (BASES SUR UNE METHODE PAR INTERVALLES EXACTS ET DES TRANSFORMEES DE FOURIER RAPIDES) D'OBTENIR DES SPECTRES POUR CHACUNE DES POSITIONS AXIALES EXPLOREES. AINSI, NOUS AVONS PU EN DEDUIRE LES ECHELLES CARACTERISTIQUES DE LA TURBULENCE DANS NOS JETS A MASSE VOLUMIQUE VARIABLE (MACRO-ECHELLE DE LONGUEUR, ECHELLE DE TAYLOR ET DE KOMOGOROV), AINSI QUE D'AUTRES GRANDEURS IMPORTANTES (TAUX DE DISSIPATION DE L'ENERGIE CINETIQUE DE LA TURBULENCE, NOMBRE DE REYNOLDS TURBULENT ET MACRO-ECHELLE DE TEMPS). L'INFLUENCE DU RAPPORT DES DENSITES EST EGALEMENT NOTABLE SUR CES GRANDEURS. ENFIN, UN EXPLORATION DU CHAMP SCALAIRE A ETE REALISEE PAR LA TECHNIQUE DE LA DIFFUSION DE LA LUMIERE PAR EFFET RAYLEIGH INDUIT PAR LASER SUR LES MEMES GAZ. NOUS AVONS ALORS OBTENU POUR CHAQUE GAZ LES EVOLUTIONS LONGITUDINALES ET RADIALES DE LA FRACTION MOLAIRE, POUR ENSUITE EN DEDUIRE L'EVOLUTION DE LA FRACTION DE MELANGE AINSI QUE CELLE DE LA MASSE VOLUMIQUE.

CE TRAVAIL PORTE SUR L'ETUDE D'UN JET TURBULENT AXISYMETRIQUE SE DEVELOPPANT DANS UN ECOULEMENT PARALLELE COCOURANT A CELUI DU JET. IL A ETE ABORDE D'ABORD DU POINT DE VUE DE LA SIMILITUDE, CE QUI A DONNE LIEU A UNE PREDETERMINATION DE L'ECOULEMENT MOYEN. L'ETUDE EXPERIMENTALE, REALISEE POUR PLUSIEURS VITESSES D'ENTRAINEMENT, A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE L'INFLUENCE DE L'ECOULEMENT EXTERIEUR ET DU CONFINEMENT SUR LE JET. DES MESURES CONDITIONNELLES NOUS ONT PERMIS D'EXAMINER LE SIGNAL INTERMITTENT ET D'EN DONNER UNE DESCRIPTION STATISTIQUE, L'ETUDE SPECTRALE APPROFONDIE QUI A ETE REALISEE RENDANT POSSIBLE, QUANT A ELLE, UNE CARACTERISATION COMPLETE DE L'ECOULEMENT PAR LES ECHELLES TURBULENTES QUI PEUVENT ETRE DEDUITES DE CETTE ANALYSE. LA MESURE DES MOMENTS D'ORDRE SUPERIEURS A DEUX DE LA FLUCTUATION LONGITUDINALE ET DE SA DERIVEE TEMPORELLE INDIQUE QUE LE SIGNAL TURBULENT NE PEUT ETRE CONSIDERE ICI COMME GAUSSIEN, NOTAMMENT DANS LA ZONE D'INTERMITTENCE. FINALEMENT, LES GRANDEURS MOYENNES ET TURBULENTES MESUREES MONTRENT QUE CE TYPE D'ECOULEMENT, DANS LA GAMME DES VITESSES D'ENTRAINEMENT CHOISIES, EST QUALITATIVEMENT PROCHE DU JET LIBRE, MEME SI, TOUTEFOIS, ON NOTE UN ECART SENSIBLE AU NIVEAU DE CERTAINS MOMENTS D'ORDRE TROIS INTERVENANT DANS L'EQUATION DE BILAN DE L'ENERGIE CINETIQUE

LES RECHERCHES EXPERIMENTALES ORIENTEES PARTICULIEREMENT VERS LA COMPREHENSION DES PHENOMENES DE TRANSPORT PROPOSENT LES EVOLUTIONS CLASSIQUES DES QUANTITES CINEMATIQUES (VITESSE MOYENNE, INTENSITE TURBULENTE, CONTRAINTES DE REYNOLDS, ETC...) DANS LE JET FROID ET CONDUISENT A LA DETERMINATION DES PROFILS TRANSVERSAUX ET LONGITUDINAUX NOTAMMENT DE LA TEMPERATURE MOYENNE, DE LA VARIANCE DE LA FLUCTUATION MOYENNE DE CETTE MEME QUANTITE ET DU FLUX TURBULENT DE CHALEUR LONGITUDINAL. CES RESULTATS PEUVENT SERVIR DE BASE AU CALCUL DE L'ECOULEMENT, A PARTIR D'UN MODELE THEORIQUE QUI CONCERNE UN CARACTERE DE GENERALISATION, ET DANS LEQUEL LA TEMPERATURE EST CONSIDEREE COMME UN SCALAIRE CONTAMINANT PASSIF