Variable-density mixing in turbulent jets : impact of density variation on the fine structure and the mixture
Etude de jets turbulents à masse volumique variable : impact de la variation de masse volumique sur la structure fine et le mélange
Résumé
An experimental study of the development of turbulent jets with variable density is presented. The axial and radial behaviours of the mean and fluctuating statistical properties obtained on the velocity and concentration fields are analysed. These results provide a better understanding of mixing phenomena and the effect of density variation in order to provide complementary data for the development of numerical calculations and to increase their precision. The cases studied in this thesis are two helium jets carrying acetone vapor for Reynolds numbers Re = 7000 and 11000 to explore the effect of large density variations (S = 0.39 and 0.41, respectively) relative to the ambient air. The case of an air jet (Re = 16000) also carrying acetone vapor is used as a reference case comparable to the case of a passive contaminant with S = 1.17. The study focuses on the region of near jet exit, up to a distance of 40 times the jet outlet diameter Dj. The adopted configuration is a round jet tube, free, axisymmetric, vertical and ascending whose internal diameter of the tube is Dj = 3.5 mm developing in the ambient air. The particularity of this study is the implementation of an optical diagnostic measurement system that allows a spatial and temporal coupling of speed and concentration measurements over a region of the flow of a few cm2. To do this, the coupling of the PIV measurements for the measurement of the velocity field and the PLIF based on the fluorescence of the acetone vapor for the measurement of the concentration field has been studied, designed and tested. It allowed us to obtain a database, still too rare today, on the evolution of the turbulent flow of speed and concentration. These data have shown a faster evolution of the lightest jet. However, the correlation coefficients appear to be identical when the self-similar zone of the jet is reached. An approach based on joint speed-concentration density probabilities has revealed differences in the outer region of the jets, where the intermittent boundary gives its imprint on the properties of the mixture.
Une étude expérimentale du développement de jets turbulents à masse volumique variable est menée. Les comportements axiaux et radiaux des propriétés statistiques moyennes et fluctuantes obtenues sur les champs de vitesse et de concentration sont analysés. Ces résultats apportent une meilleure compréhension des phénomènes de mélange et de l’effet de la variation de densité dans le but d’apporter des données complémentaires pour le développement des calculs numériques et accroître leurs précisions. Les cas étudiés dans cette thèse sont deux jets d’hélium marqués par de la vapeur d’acétone pour des nombres de Reynolds Re = 7000 et 11000 permettant d’explorer l’effet de fortes variations de masse volumique (S = 0,39 et 0,41, respectivement) par rapport à l’air ambiant. Le cas d’un jet d’air (Re = 16000) également porteur de vapeur d’acétone est utilisé comme cas de référence comparable au cas d’un contaminant passif avec S = 1,17. L’étude porte sur la région de proche sortie de jet, jusqu’à une distance de 40 fois le diamètre Dj de sortie du jet. La configuration adoptée est celle d’un jet de tube rond, libre, axisymétrique, vertical et ascendant dont le diamètre intérieur du tube est Dj = 3,5mm se développant dans l’air ambiant. La particularité de cette étude est la mise en œuvre d’un système de mesure par diagnostic optique qui permet un couplage spatial et temporel des mesures de vitesse et de concentration sur une région de l’écoulement de quelques cm2 et non sur un seul point. Pour ce faire, le couplage des mesures PIV, pour la mesure du champ de vitesse, et PLIF basée sur la fluorescence de la vapeur d’acétone, pour la mesure du champ de concentration, a été étudié, conçu et testé. Il nous a permis d’obtenir une base de données, encore trop rares aujourd’hui, sur l’évolution des flux turbulents croisés de vitesse et concentration. Ces données ont mis en évidence une évolution plus rapide du jet le plus léger. Cependant, les coefficients de corrélation semblent identiques lorsque l’on atteint la zone autosimilaire du jet. Une approche basée sur les probabilités de densité conjointes vitesse-concentration a permis de mettre en évidence des différences dans la région extérieure des jets, où l’intermittence de frontière donne son empreinte sur les propriétés du mélange.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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