Evolution de tourbillons longitudinaux dans un écoulement de canal turbulent perturbé : analyse thermomécanique par PIV, simulations RANS et DNS

Evolution of longitudinal vortices in a perturbed plane channel flow : thermomechanical analysis by PIV measurements, and RANS and DNS calculations

• Auteur / Autrice : Vincent Kubicki
• Direction : Sedat Tardu, Jean-Luc Harion
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Valenciennes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Entropie

Dissipation d'énergie

Tourbillons (mécanique des fluides)

Résumé

Cette étude prend place dans le cadre général de la caractérisation d'échangeurs thermiques dont les performances sont améliorées par l'adjonction de générateurs de tourbillons longitudinaux. La configuration d'écoulement étudiée est un canal plan perturbé par un générateur de tourbillons rectangulaire. Un calcul RANS fournit des résultats incomplets sur la turbulence mais sa simplicité permet un prototypage rapide de l'étude. Une étude expérimentale permet de travailler sur des réalisations statistiques de l'écoulement et de décrire plus finement la turbulence. Enfin un calcul DNS apporte l'information la plus complète sur les structures turbulentes. La première thématique d'analyse des résultats est la dynamique de l'écoulement. Des résultats sont fournis sur la topologie de l'écoulement. Une décomposition en composantes principales de la vorticité turbulente est reliée aux contraintes principales de cisaillement. L'évolution des énergies cinétiques moyennes et turbulentes par l'étude de leurs production et dissipation. L'impact de l'hypothèse de Bousinesq sur la modélisation des contraintes de Reynolds est détaillé. La deuxième partie de l'étude est centrée sur la thermique. Les interactions entre les différents modes de transport de l'énergie interne sont décrites en interprétant les répartitions spatiales des différents flux et de leurs divergences. Enfin une analyse entropique décrit la répartition de destruction d'éxergie dans le système, ainsi que les différences de prédiction entre les calculs DNS et RANS.

This study is focused on longitudinal vortices as heat transfer enhancers, and describes their evolution in a channel flow perturbed by a rectangular perturbator. Three different methods of investigation are considered: PIV measurements, RANS computation and DNS computation. RANS computation does not provide in-depth information on the turbulent flow but allows for a fast prototyping of the study. Using the PIV experiment statistical realizations are post-processed to obtain a finer representation of the turbulence. The DNS computation is the most complete mean of investigation. The first part of the results concerns the dynamical description of the flow. The topology of the flow is described. A principal components analysis is performed on the turbulent vorticity and its results are linked to the principal stress of the flow. The wall shear stress, and the evolution of the flow turbulent and mean kinetic energies, as well as their production and dissipation rates are determined. The Boussinesq hypothesis on Reynolds stress modeling in this particular geometry is detailed. The second part of the results concern the description of the internal energy distribution in the flow. The interactions between the various internal energy transports (conduction, mean and turbulent convection) are described through their flows and divergences. An entropy production analysis is performed to describe the exergy destruction distribution in the system, as well as the differences in predictions between the RANS and DNS computations.