Jet dans un écoulement transverse à faible nombre de Reynolds : effet de la masse volumique sur la dynamique et le mélange

Jet in crossflow at low Reynolds number, density effects on dynamics and mixing

• Auteur / Autrice : Raphaël Fraticelli
• Direction : Jacques Borée, Laurent David
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Poitiers
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique (Chasseneuil-du-Poitou, Vienne ; 1986-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement croisé

Mélange

Tomographie

Tourbillons (mécanique des fluides)

Résumé

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.

This dissertation examines, experimentally, a square jet in a crossflow, in an inertial and mixed convection regime for a Reynolds number of 500 and an injection rate ranging from 0. 17 and 2. 13. The visualization of the flow shows the main vortical structure of the near field. The development of a simultaneous measuring device of velocity (PIV) and concentration (LIF) gives timed-resolved results. Drawing on these results, the topology of the flow and the geometrical magnitudes characteristic of the mixture become evident. The mechanisms at the origin of the destabilization of the upper limit are exposed. The measures of velocity using nearly-time-resolved tomographic particle image velocimetry allow description of the wake structures. The measurements demonstrate the evolution of upright vortices and of the counter-rotating vortex pair. Links between the mixture and the cinematic field of the flow are established. A very weak variation of the density transforms the flow. The dense jet forms a bulb, the horseshoe vortices are intensified and new vortical structures appear in the wake. The bulb, driven by viscous force and buoyancy, is where mixture occurs. The shear layer generates vortices whose evolution if strongly influenced by the baroclinic term of the vorticity equation. An increase in the injection rate modifies the flow. The mixture in its wake is improved under the influence of the buoyancy of the flow.