Mélange à scalaire actif dans les écoulements de jets turbulents

Active scalar mixing in turbulent jet flows

• Auteur / Autrice : Yacine Brahami
• Direction : Luminita Danaila
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 08/10/2020
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Charles Sautet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Anselmet, Michael Gauding, Jean-François Krawczynski, Emilien Varea
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mickaël Bourgoin, Malek Abid

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluorescence induite par laser

Vélocimétrie par images de particules

Jets -- Fluides, Dynamique des

Turbulence

Mots clés libres

Mélange de scalaire actif

Turbulence

Jet rond à masse volumique variable

Jet plan temporel `a viscosit´e et diffusivit´e massique variables

Ecoulement turbulent

Vélocimétrie par images de particules

Fluorescence induite par laser planaire

Active scalar mixing

Turbulence

Variable density round jet

Temporally evolving turbulent jet flow with variable viscosity and mass diffusivity.

Turbulent flow

Stereo Particle Image Velocimetry

Planar Laser Induced Fluorescence

Résumé

Le mélange de scalaire actif, qui implique une rétroaction du champ scalaire sur les champs de vitesses, a attiré beaucoup moins d’attention dans la littérature que le mélange du scalaire passif où le champ scalaire se laisse transporter cinématiquement par le champ de vitesse. Dans cette thèse, nous nous intéressons à quelques questions ouvertes au sujet du mélange de scalaire actif. En particulier, on observe une accélération de la transition vers la turbulence pour : un jet léger, et un jet plus visqueux, par rapport au fluide hôte. Nous abordons deux types d’écoulements : I. Jet rond à masse volumique variable : Nous avons conçu et réalisé une expérience permettant la mesure simultanée des champs de vitesses et scalaire dans le champ très proche d’un jet rond à masse volumique variable. Nous utilisons la Vélocimétrie par Images de Particules Stéréoscopique, couplée à la Fluorescence Induite par Laser Planaire. La première question consiste à connaître l’influence des variations de masse volumique sur les toutes premières structures qui apparaissent après l’injection. La seconde question concerne le transfert d’énergie dans l’écoulement. Nous utilisons une approche statistique en deux-points, et analysons les transferts d’énergie et de variance du scalaire dans l’espace des échelles. Enfin, le mélange est quantifié par une approche de statistiques conditionnées à la périphérie du jet, au voisinage de l’Interface Turbulent/Non-Turbulent. Cette méthode révèle des informations qui sont inaccessibles par des moyennes dans un repère de coordonnées cylindriques classique. II. Jet plan temporel à viscosité et diffusivité massique variables : Nous utilisons des données de Simulations Numériques Directes, produites par le Dr. M. Gauding au sein de notre groupe. Le but de ces simulations est d’étudier l’influence de la variation de viscosité et de la diffusivité de masse sur les taux de dissipation de l’énergie cinétique et du scalaire. Pour traiter cette question, nous utilisons une approche de statistiques conditionnées à l’Interface Turbulent/Non-Turbulent. Dans cette région de l’écoulement, nous évaluons le bilan en un point de l’amplitude du vecteur gradient du scalaire, ainsi que le bilan en deux points de la fonction de structure d’ordre deux du scalaire. Nous montrons que les inhomogénéités initiales du scalaire actif ont un effet intense et persistant sur le mélange dans le voisinage de l’Interface Turbulent/Non-Turbulent, et ceci même tard, dans le régime auto-similaire du jet.

Active scalar mixing, which modifies the velocity field through variations of either density or viscosity, received much less attention than passive scalars. This thesis aims at unravelling some open questions pertaining to active scalar mixing. Whilst some results point to the facts that mixing occurs faster for i) light jets than for heavy jets, and ii) more viscous fluid released in a less viscous environment. This simple example reveals the necessity of a systematic study of the problem. We focus on two aspects of these very vast questions. I. Variable density round jet. We designed an experimental set-up, which allows measuring both velocity and scalar fields, using simultaneous Stereo Particle Image Velocimetry and Planar Laser Induced Fluorescence. The first question concerns mixing immediately after injection. Therefore, the very near field of the jet was particularly sought. One-point statistics were used to evaluate the large-scale effect of momentum and density variations on the initiation of turbulence. Also, two-point turbulent statistics for velocity and scalar have been appraised. Through this approach, the effects on transition were assessed through scales of turbulent motion. Mixing was also evaluated at the edge of the flow, in the vicinity of the Turbulent/Non-Turbulent Interface. We found additional specificity to variable density mixing, that is inaccessible by averaging on a cylindrical frame of reference. II. Temporally evolving turbulent jet flow with variable viscosity and mass diffusivity. The data consists in Direct Numerical Simulation performed in our group by Dr. M. Gauding. The purpose of these simulations is to study the kinetic energy and scalar dissipation rates in flows with variable momentum and mass diffusivities. We focused on conditional averaging in the vicinity of Turbulent/Non-Turbulent Interface. This data is confronted to one-and-two point transport equations for the momentum and scalar. It is shown that initial gradients of both viscosity and mass diffusivity have an intense and persistent impact on both kinetic energy and scalar dissipation rates, in the vicinity of the Turbulent/Non-Turbulent Interface, albeit a rapidly trend of the jet core towards self-preservation.