Cette étude porte sur les phénomènes de mélange turbulent et de transfert thermique dans des échangeurs/réacteurs multifonctionnels (ERM) à générateurs de vorticité. La géométrie des ERM conditionne leur efficacité énergétique en déterminant la structure de l’écoulement. Ainsi, la compréhension fine des mécanismes du mélange turbulent et des transferts convectifs constitue un enjeu fondamental pour l’amélioration de l’efficacité énergétique des ERM. La démarche scientifique est décomposée en deux parties : Tout d’abord, nous étudions l’utilisation de la sonde chimique dans le but de caractériser le micromélange dans des écoulements turbulents continus homogènes. Nous proposons une procédure expérimentale adaptative permettant d’adapter les cinétiques chimiques aux conditions locales de turbulence. De plus, nous définissons un domaine de validité, dépendant des conditions hydrodynamiques au point de mesure, en s’appuyant sur la modélisation physique de l’interaction entre les différentes échelles du mélange. Ensuite, nous étudions le mélange et les transferts thermiques dans trois géométries d’écoulements turbulents en présence de vorticité générée par des perturbateurs insérés dans un tube droit circulaire. Cette étude repose sur des mesures par LDA (laser Doppler anemometry) et de la simulation numérique CFD. Différentes approches physiques sont utilisées : statistique de turbulence, intensité de la vorticité, production d’entropie et synergie des champs. La complémentarité de ces approches permet de proposer une méthodologie afin d’évaluer les performances d’un ERM en régime turbulent

ETUDE DES EFFETS DE LA ROTATION SUR LE TRANSPORT SPATIAL DE L'ENERGIE CINETIQUE DANS LES ECOULEMENTS TURBULENTS INHOMOGENES. LA CONFIGURATION RETENUE EST CELLE D'UNE COUCHE DE MELANGE TURBULENTE NON CISAILLEE. CETTE COUCHE DE MELANGE EST CONSTITUEE DE DEUX TURBULENCES DE GRILLE, MISES COTE A COTE, AYANT DES ENERGIES ET DES ECHELLES DE LONGUEUR DIFFERENTES ET QUI INTERAGISSENT. LES TERMES DE TRANSPORT SONT LES GRADIENTS DES CORRELATIONS TRIPLES DE VITESSE ET LES GRADIENTS DES CORRELATIONS PRESSION-VITESSE. EN L'ABSENCE DE ROTATION, NOUS OBSERVONS UN PIC SUR LES PROFILS DES MOMENTS D'ORDRE TROIS DANS LA COUCHE DE MELANGE, CE QUI TRADUIT L'IMPORTANCE DU TRANSPORT PAR LES CORRELATIONS TRIPLES DE VITESSE DANS CETTE ZONE. IL APPARAIT EGALEMENT QUE CETTE ZONE DE MELANGE EST FORTEMENT INTERMITTENTE, CE QUI SE TRADUIT PAR UN ECART A LA GAUSSIANITE DES PROFILS DES MOMENTS D'ORDRE QUATRE. UNE ETUDE NUMERIQUE A MONTRE QUE LES CORRELATIONS PRESSION-VITESSE JOUENT DANS CE CAS UN ROLE NEGLIGEABLE. EN PRESENCE DE ROTATION, NOUS OBSERVONS UNE FORTE REDUCTION DU TRANSPORT TURBULENT PAR LES CORRELATIONS TRIPLES DE VITESSE AINSI QU'UNE REDUCTION DE L'INTERMITTENCE DE LA ZONE DE MELANGE. LES SIMULATIONS LES ONT MONTRE QU'EN PRESENCE DE ROTATION, CE SONT LES CORRELATIONS PRESSION-VITESSE QUI ASSURENT LE TRANSPORT DE L'ENERGIE A TRAVERS LA COUCHE DE MELANGE. COMME NOUS N'OBSERVONS PAS D'EFFET SENSIBLE DE LA ROTATION SUR LES PROFILS D'ENERGIE CINETIQUE TURBULENTE ALORS QUE LES MOMENTS D'ORDRE TROIS SONT FORTEMENT REDUITS, CETTE PRESENTE ETUDE SEMBLE DONC ALLER DANS LE SENS DE LA CONCLUSION DES SIMULATIONS NUMERIQUES: CE SONT LES CORRELATIONS PRESSION-VITESSE QUI ASSURENT LE TRANSPORT TURBULENT A TRAVERS LA COUCHE DE MELANGE

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

CETTE THESE TRAITE DE L'ETUDE D'UN ECOULEMENT PLAN DANS UN DILUEUR DE JET TURBULENT POUR ANALYSER LE COMPORTEMENT SPECTRAL DE CET ECOULEMENT. L'ECOULEMENT MET EN EVIDENCE DES PHENOMENES D'INTERACTIONS DE DEUX COURANTS DONT LA TURBULENCE A ETE MANIPULEE A L'AIDE DE GRILLES DIFFERENTES ET QUI PRESENTE AINSI DES REPARTITIONS D'ENERGIE SPECTRALES DIFFERENTES. SUR LE PLAN NUMERIQUE, LES MODELES MULTIECHELLES A DECOUPAGE SPECTRAL OFFRENT UNE VOIE DE DESCRIPTION INTERESSANTE. LES TECHNIQUES EXPERIMENTALES PERMETTENT DE MESURER DES SPECTRES UNIDIMENSIONNELS EN FREQUENCE, POUR POUVOIR INTERPRETER CES SPECTRES, NOUS AVONS ETE CONDUITS A PROPOSER UNE APPROCHE ORIGINALE INSPIREE D'UN SCHEMA DE SHIH, REYNOLDS ET MANSOUR

De nos jours, l'énergie délivrée par la combustion dépasse 80% de l"énergie totale dans le monde, et ce pourcentage restera probablement élevé le long des 100 prochaines années. La plupart des systèmes réactifs qui génèrent la combustion turbulente sont utilisés dans la fabrication, le transport et l"industrie pour la génération des puissances. Comme résultat, l"émission des polluants est parmi les problèmes majeurs qui sont devenus des facteurs critiques dans notre société. Dans ce cadre, une étude détaillée des systèmes réactifs est alors nécessaire pour la conception de systèmes de haute performance qui s"adaptent aux technologies modernes. L'optimisation des performances de ces systèmes énergétiques permet d"une part d"économiser l'énergie et d"autre part de réduire la pollution. Les jets turbulents sont impliqués dans l'efficacité de ces divers systèmes. Dans le cas isotherme, la complexité des écoulements turbulents résulte principalement de la coexistence des structures de tailles très différentes et de l"interaction non linéaire entre ces structures. Les plus grandes structures dépendent fortement de la géométrie du domaine considéré, elles sont donc anisotropes. De plus, elles ont une grande durée de vie et elles sont responsables du transport de la quasi-totalité de l'énergie. Les plus petites structures, quant à elles, ont souvent un caractère beaucoup plus "universel" (dû à leur comportement relativement isotrope) et sont à l'origine du processus de dissipation visqueuse. Prédire numériquement la dispersion et le mélange d"un scalaire non réactif dans un écoulement turbulent est considéré comme un problème primordial et reste toujours actuel. Plusieurs recherches sont attachés à ce sujet afin d"approfondir de plus à la connaissance de différents phénomènes pour pouvoir les mieux prédire. La prédiction numérique du mélange turbulent existant dans plusieurs applications industrielles et environnementales, a un important intérêt en génie chimique. Il est nécessaire donc de bien comprendre la majorité de propriétés du mélange et de l"écoulement. En combustion, la complication du comportement des jets résulte de l"interaction entre le dégagement de la chaleur, les processus de mélange, l'entraînement et la recirculation des gaz. Pour bien comprendre la complexité de ce phénomène, il est nécessaire de connaître parfaitement l'évolution dynamique et scalaire des jets turbulents isothermes en présence d'importantes différences de densité, comme elles peuvent lors de la combustion. Cette optimisation passe par la compréhension de l'effet de la variation des conditions d'entrée sur les processus de mélange dans le cas non réactif et sur la stabilité et la nature de la flamme dans le cas réactif. Ainsi, des études théoriques, expérimentales et numériques, doivent être menées en parallèle pour mieux identifier les effets d'une telle intervention. Bien des questions demeurent ouvertes dans le but de mieux caractériser les différents écoulements turbulents réactifs. Les objectifs des études menées dans ce domaine sont la réduction des émissions de polluants et l"amélioration du rendement de combustion. Une compréhension du mélange et leur interaction avec les différents processus chimiques traduit donc un enjeu majeur. Elle est considéré alors comme un facteur déterminant la qualité des variétés des procèdes. Ce travail de thèse se base sur les jets coaxiaux qui constituent un cas particulier de jet axisymétrique. Ils sont communément rencontrés dans des différents brûleurs industriels qui assurent le contact entre le comburant et le carburant sous une forme de jets coaxiaux. Cette technique est le siège d"une amélioration du mélange et de la stabilité des flammes.

Dans de nombreux dispositifs industriels comme les conduites de refroidissement des moteurs de fusées, un écoulement turbulent est en contact avec une paroi solide chaude.L'instabilité due aux courbures ajoutée au confinement créent des courants orthogonaux au flux principal d'une intensité pouvant aller jusqu'à 20% de celui-ci. Pour comprendre les interactions entre ces courants secondaires et les transferts thermiques, des résultats de simulations numériques des grandes échelles sont obtenus dans des conduites pouvant présenter des courbures et des parois chauffées. Un écoulement pleinement développé est injecté à l'entrée du domaine par la simulation synchrone d'une conduite périodique. Un modèle de viscosité turbulente a été implanté dans le code de calcul et aucune loi de paroi n'est utilisée. Une température supérieure est d'abord appliquée sur une des quatre parois d'une conduite carrée rectiligne pour une validation du code de calcul. Les mécanismes d'éjections de fluide chaud de la paroi chauffée vers le coeur de la conduite sont bien représentés et on peut observer le développement progressif de la couche limite thermique. L'évolution spatiale de l'écoulement a ensuite permis d'appliquer un flux constant.Une conduite de section rectangulaire en forme de S a ensuite été simulée. A chaque courbure, apparaît un fort flux secondaire inhérent au gradient de pression normal aux parois courbes. Ceci implique la naissance d'une paire de tourbillons longitudinaux contra-rotatifs de type "Dean" ou "Ekman" évoluant au voisinage de la paroi convexe.L'interaction entre ces courants secondaires et le mélange turbulent est étudiée suivant les modes de chauffage.