Caractérisation expérimentale et simulations numériques d’un jet chaud impactant

par Pierre Grenson

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Bertrand Aupoix et de Philippe Reulet.

Le président du jury était Françoise Bataille.

Le jury était composé de Jean-Marie Buchlin, Hugues Deniau, Laurent Descamps.

Les rapporteurs étaient Pascale Domingo, Matthieu Fénot.


  • Résumé

    Cette thèse porte sur la caractérisation expérimentale et la simulation numérique d’une configurationde jet rond en impact peu rencontrée dans la littérature : un jet chauffé issu d’une conduitepleinement développée à un haut nombre de Reynolds (ReD = 60 000) impacte normalement uneparoi située à trois diamètres en aval. Le premier volet de ce travail est dédié à la génération d’unebase de donnée expérimentale à l’aide de plusieurs moyens de mesure, avec pour objectif de caractériserà la fois la dynamique et la thermique de l’écoulement. Les techniques complémentaires devélocimétrie laser à franges (LDV) et vélocimétrie par image de particules (S-PIV) ont été mises àprofit pour la caractérisation du champ de vitesse et du tenseur de Reynolds tandis que les champsde température moyenne et fluctuante ont été mesurés à l’aide d’un fil froid. Enfin, les échangesthermiques au niveau de la paroi ont été obtenus par la méthode inverse de thermographie en facearrière (ThEFA). En plus de fournir une base de donnée très complète nécessaire à la validation dessimulations numériques, ces mesures ont également permis de mettre en évidence l’organisation àgrande échelle de l’écoulement, avec la présence de grandes structures tourbillonnaires dont la fréquencede passage correspond au mode colonne du jet libre et qui s’approchent de la paroi d’impactaux alentours du second maximum observé dans la distribution des échanges pariétaux. Le secondvolet concerne les simulations numériques visant à reproduire la configuration expérimentale. Deuxapproches ont été évaluées : l’approche RANS pour quantifier la pertinence des modèles utilisés parles industriels et l’approche LES, plus coûteuse, mais donnant accès aux propriétés instationnaireset tridimensionnelles de l’écoulement. Les simulations RANS ont montré que les modèles reconnuscomme les plus performants pour ce type de configuration sont incapables de prévoir correctementle niveau des échanges pariétaux. Ils sont, en revanche, bien reproduits par la simulation LES. Lesdonnées obtenues ont été mises à profit pour mieux comprendre les mécanismes liés à l’apparitiondu second maximum. Cette analyse a mis en avant le rôle des « points chauds ». Seuls certains d’entreeux ont pu être reliés à la présence de régions « décollées » tandis que la majorité est associée à desstructures allongées dans la direction de l’écoulement.

  • Titre traduit

    Experimental characterisation and numerical simulations of a hot impinging jet


  • Résumé

    This thesis is dedicated to the experimental characterisation and the numerical simulations ofa round impinging jet configuration seldom dealt with in the literature : a heated jet issues from apipe fully developed pipe at a high Reynolds number (ReD = 60 000) and normally impinges a platelocated three diameters downstream. The first part of this work is directed towards the generationof an experimental database by means of several measurement techniques in order to characteriseboth the dynamical and thermal flow features. The complementary techniques of laser Doppler velocimetry(LDV) and particle image velocimetry (S-PIV) allowed for the velocity and Reynolds tensorfield characterisation. The mean and fluctuating temperature fields were measured through cold-wirethermometry. Finally, the plate heat transfer distribution was obtained through the inverse methodof « rear face thermography » (ThEFA). The gathered data not only provided a comprehensive databasenecessary to validate numerical simulations but also permitted to highlight the large-scale floworganisation, with the presence of large vortices shedding at the free jet preferred mode and closelyapproaching the plate in the vicinity of the secondary peak observed in the heat transfer distribution.The second part of this thesis focuses on the numerical simulations aiming at reproducing the experimentalconfiguration. Two approaches were evaluated : the RANS approach in order to quantifythe relevance of industrial turbulence models and the Large-Eddy Simulation, more expensive, butproviding the 3D unsteady flow features. The RANS simulations showed that the models recognisedas the most efficient for this kind of configuration are unable to correctly predict the heat transferlevels. They are, on the other hand, well reproduced by the LES. The generated data allowed for betterunderstanding of the mechanisms leading to the secondary peak. This analysis highlighted theprominent role of the "hot spots", where only some of them can be related to « separated » regions,while the majority are associated with streamwise elongated structures.


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