Sur la stabilité globale des jets coaxiaux tournants

Global stability of coaxial swirling jets

• Auteur / Autrice : Asmaa Hairoud
• Direction : Eric Foucault, Damien Biau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance le 02/10/2012
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers)
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : José Eduardo Wesfreid
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Foucault, Damien Biau, Yves Gervais
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ivan Delbende, Chérif Nouar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vélocimétrie par images de particules

Stabilité

Tomographie

Hydrodynamique

Mots clés libres

Jets coaxiaux tournants

Tomographie laser/PIV

Instabilité de cisaillement et centrifuge

Stabilité linéaire globale

Taux de croissance

Mode propre

Swirling coaxial jets

Laser tomography/PIV

Shear and centrifugal instability

Global linear stability

Growth rate

Eigenmode

Résumé

Ce travail porte sur l'étude expérimentale et numérique de jets coaxiaux de rapports de vitesses débitantes intérieure/extérieure) inférieurs à l’unité, présentant une rotation dans le jet annulaire. Dans un premier temps, des visualisations par tomographie laser ont été réalisées dans les plans méridien et transversaux permettant une description tridimensionnelle de l'écoulement. Pour différents nombres de Reynolds, de rapport de vitesses et de nombre de Swirl, un inventaire des modes dominants a pu être établi. Les champs instantanés de vitesses ont ensuite été mesurés par Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV). Les résultats de mesures de vitesses longitudinales et azimutales moyennées en temps sont présentés. Une comparaison avec les structures observées par tomographie est proposée. Une décomposition de Fourier a été effectuée permettant d'identifier les modes dominants ainsi que leur position dans la direction radiale. L'approche expérimentale a été suivie par une analyse de stabilité linéaire. Une attention particulière est portée sur l'état de base stationnaire reconstruit à partir des profils de vitesses mesurées par PIV à la sortie du jet. Étant donné que l'écoulement est non parallèle, une approche globale de la stabilité est utilisée. L'étude de la stabilité est basée sur la résolution numérique des équations de Navier-Stokes par des méthodes pseudo-spectrales. L'objectif de cette analyse est de retrouver la carte en mode de Fourier azimutaux observée expérimentalement. Nous nous sommes donc intéressés au taux de croissance le plus élevé de la perturbation pour chaque mode azimutal ainsi qu'à la nature convective/ absolue des modes. Pour finir, une com

This work concerns the experimental and numerical study of coaxial jets with outer to inner velocity ratio lower than unity, presenting a rotation in the annular jet. At first, flow visualizations by tomography laser were used in the meridian and transverse plans in order to provide a spatial description of the flow. For various values of the nondimensional parameters : numbers of Reynolds, outer to inner velocity ratio and Swirl number, an inventory of the dominant modes was be established. Instantaneous velocity fields were then measured by Particle lmaging Velocimetry (PIV). The results of longitudinal and azimuthal time-averaged Velocity fields are presented. A comparison with the structures observed by tomography is proposed. A Fourier decomposition was made allowing to identify the dominant modes as well as their position in the radial direction. Experimental investigation was followed by a linear stability analysis. Special attention is paid to the steady base-flow solution reconstructed from the velocity profiles measured by PIV at the end of the nozzle. Given that the is not parallel, a global approach was used. Study of the stability is based on the numerical solution of the incompressible Navier-Stokes equations with pseudo-spectral methods. The objective of this analysis is to the map of azimuthal Fourier modes observed experimentally. We were thus interested in the most amplified growth rate of the disturbance for every azimuthal mode as well as in the absolute/convective nature of the modes. To conclude, a comparison of the results obtained in both numerical and experimental approaches is proposed.