Analyse expérimentale d'un jet turbulent impactant sur un plaque plane et sur un obstacle de section carrée

Experimental analysis of an impinging turbulent jet on a flat surface and on a sqare sectioned obstacle

• Auteur / Autrice : Nam Shin Kim
• Direction : André Giovannini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et dynamique des fluides. Energétique et transfert
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermométrie

Rayonnement thermique

Imagerie infrarouge

Jets pariétaux

Turbulence

Mots clés libres

Impact d'un jet turbulent

Axisymétrique

Transfert de chaleur

Obstacle de section carrée

Piv

Anémométrie à fil chaud

Thermographie infrarouge

Bal à fil froid

Visualisation pariétale

Turbulent impinging jet

Axisymmetric

Heat transfer

Square sectioned obstacle

Piv

Hot wire anemomtry

Infrared thermography

Cold wire thermometry

Visualization

Résumé

Cette étude aborde l'impact d'un jet sur une plaque plane et sur un obstacle de section carrée. L'objectif de ce travail est l'analyse expérimentale de l'écoulement, et du transfert de chaleur associé, lorsque la surface est chauffée à densité de flux constante. Les mesures de vitesse et de turbulence ont été menées par la Vélocimétrie par Images des Particules (PIV) et l'anémométrie à fil chaud, ce qui a permis la mesure de chaque composante et du champ complet en particulier au voisinage des parois. Différents post-traitements de la PIV ont permis une nette amélioration de l'évaluation des fluctuations de vitesse. Les mesures de la température ont été effectuées par la thermographie infrarouge et la thermométrie à fil froid. La caméra utilisée, de technologie avancée, possède une résolution thermique très faible. Un travail important de post traitement des images infrarouge a permis de quantifier le champ de coefficient d'échange avec une précision inférieure à 5%. Plusieurs corrections de la température ont été menées sur les mesures par la thermométrie à fil froid pour tenir compte des effets inertiel et de conduction au niveau de la sonde. Les mesures concernant l'impact d'un jet sur une plaque plane ont complété les données de la littérature tout en mettant en évidence quelques désaccords. Nous proposons une analyse qui permet d'expliquer l'effet de la distance d'impact sur le coefficient de transfert de chaleur local. Ce travail représente une base de données aérothermiques cohérente pour la validation des modèles de turbulence. L'impact du jet sur un barreau à section carrée a montré plusieurs structures d'écoulement 3D intéressantes et une distribution complexe du coefficient de transfert de chaleur associée. Les phénomènes de décollement et de recirculation 3D ont été identifiés et analysés. Egalement, l'influence de la position du jet par rapport au barreau sur la topologie de l'écoulement a été clairement mise en évidence.

This study approaches the jet impingement on a flat plate and on a square sectioned obstacle. The objective of this work is the experimental analysis of the flow and the associated heat transfer when surface is heated with a constant heat flux. The turbulence and velocity measurements were carried out by the Particle Image Velocimetry (PIV) and the hot wire anemometer, which allow to the measurements of each velocity component and of the complete field, specially close to the wall. Several post processing of the PIV allowed an improvement of the evaluation of the velocity components fluctuations. The temperature was measured using the infrared thermography and the cold wire thermometry. The chosen camera, using a advanced technology, have a very small temperature resolution. An important post processing analysis of infrared pictures allows the quantification of the field of heat transfer coefficient with an accuracy lower than 5%. Several corrections of the temperature were conducted in the cold wire thermometry measurement to take into account probe inertia and conduction effects. These measurements concerning the impingement of a jet on a flat plate supplemented the literature data (Baughn & Shimizu (1989) and Cooper et al. (1993)) but emphasized some discrepancy. We proposed an analysis to understand the effect of jet distance from the surface on the local heat transfer coefficient. This work also represent a coherent aerothermal new database for the validation of turbulence models. The impingement of jet on a square sectioned bar showed several interesting 3D flow structures and associated complex heat transfer coefficient distributions. The phenomena of flow seperation and 3D recirculation were identified and analyzed. Also, the influence of the jet position to the bar on the flow topology and on the heat transfer was investigated.