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.

Cette thèse présente une étude de la physique et de la modélisation des jets d'impact turbulent. Un code numérique original pour calculer l'écoulement incompressible, instationnaire a été développé. Il est implicite de 2ème ordre de précision en espace et en temps, basé sur la méthode aux volumes finis avec le maillage non-décalé. Les équations de quantité de mouvement sont résolues par la méthode ADI pour le champ de vitesse, pendant que la pression est obtenue en résolvant l'équation de Poisson avec les conditions aux limites de type Neumann par la méthode multigrille. La condition de compatibilité est respectée pour que la solution de l'équation de Poisson existe. Les équations de transfert des grandeurs de la turbulence sont résolues par la même méthode ADI. Toutes les équations sont découplées. Le jet d'impact plan, turbulent avec le nombre de Reynolds Re=6000 et la hauteur H/B=10 de Tsubokura et al. (1997) a été calculé par la méthode Semi-Déterministe avec quatre modèles de turbulence k-epsilon : STD, RNG, LS et LB. Bien que les résultats de calcul soient comparables assez bien avec ceux de l'expérience, cette étude a montré une faiblesse majeure des modèles : ils ne peuvent pas bien décrire les effets de faible nombre de Reynolds turbulent dans un écoulement ayant une configuration complexe. Cette insuffisance a été surmontée en utilisant le nouveau modèle proposé. A la différence de la plupart des modèles, les fonctions d'amortissement du nouveau modèle n'exigent pas la présence de paroi. Avec l'aide du nouveau modèle, la prédiction de la turbulence a été sensiblement améliorée. Les résultats de prédétermination des grandeurs moyennes (temporelles ou d'ensemble) d'un jet d'impact se trouvent aussi améliorés.

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

L'étude développée dans ce mémoire constitue une contribution par des moyens numériques et expérimentaux à la caractérisation des écoulements de type jet. A partir du développement d'instabilités hydrodynamiques dans un écoulement de type jet axisymétrique libre évoluant à bas nombres de Reynolds, nous avons étudié plus précisément la transition à la turbulence. L'étude numérique consiste à une résolution numérique des équations de Navier-Stockes régissant les écoulements de type jet circulaire et isotherme en régime laminaire. Notre travail a été orienté particulièrement vers l'étude de l'influence des conditions d'émission du gaz à la section d'injection sur le comportement aérodynamique du jet. Nous présentons également des résultats concernant le champ de concentration. Dans la partie expérimentale, la technique de PIV et la visualisation des écoulements associée aux traitements d'images ont été utilisées afin d'étudier le champ de vitesse, les instabilités hydrodynamiques et la transition à la turbulence dans ce type d'écoulements. L'apparition des instabilités, à partir des modes sinueux et variqueux, et leur évolution vers l'état chaotique (turbulent) sont suivies en fonction du paramètre principal à savoir le nombre de Reynolds.

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.

Dans cette thèse on s'intéresse aux jets en écoulement transverse dans une configuration générique de celle du refroidissement par effusion de chambres de combustion aéronautiques. L'amélioration des modèles de paroi avec transfert de masse passe par une meilleure connaissance de l'interaction entre les jets et l'écoulement principal. Nous avons donc réalisé la simulation numérique directe d'un jet issu d'un perçage incliné avec ou sans giration, pour des écoulements isothermes, turbulents et à bas nombre de Mach, dans un contexte compressible. Pour cela nous avons travaillé avec la bibliothèque AeroSol d'éléments finis continus et discontinus sur maillage hybride. En particulier nous nous sommes intéressés à la stabilité des flux numériques pour le compressible instationnaire associés à la méthode de Galerkin discontinue lorsque le nombre de Mach tend vers zéro. Nous avons pu mettre en évidence des comportements instables lors de l'utilisation de discrétisation temporelle explicite que nous avons corrigés en proposant un nouveau flux. Dans un deuxième temps, nous avons effectué les développements nécessaires à la réalisation des calculs. Nous nous sommes en particulier intéressés à la génération d'un champ de vitesse turbulent synthétique par la méthode SEM (Synthetic Eddy Method) que nous avons implantée dans AeroSol et validée. Grâce aux outils de post-traitement développés, nous avons conduit l'analyse de nos résultats. Dans le cas sans giration, les comparaisons avec les résultats expérimentaux et les résultats de simulations RANS que nous avons obtenus en parallèle sur la configuration du banc d'essai MAVERIC sont encourageants. La structure moyenne d'ensemble du jet est notamment correctement reproduite. En ce qui concerne la cas avec giration, le comportement attendu de déflexion successive du jet dans les deux plans caractéristiques (plan d'injection et plan de l'écoulement transverse) est bien reproduit et illustre tout le potentiel prévisionnel de la librairie de calcul que nous avons contribué à développer.