PIV stéréoscopique à haute cadence, jets turbulents, interactions tourbillonnaires, modes axisymétriques

Large scale structures in the near field of turbulent round jets at high Reynolds numbers

• Auteur / Autrice : Jahnavi Kantharaju
• Direction : Laurent Jacquin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 29/01/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales. Département Physique, Instrumentation, Environnement, Espace (DPHY) (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Bailly
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Jacquin, Peter Jordan, William Kenneth George, Taraneh Sayadi, Romain Monchaux, Lutz Lesshaft, Benjamin Leclaire
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Peter Jordan, William Kenneth George

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Mécanique des fluides

Mots clés libres

PIV stéréoscopique à haute cadence

Jets turbulents

Interactions tourbillonnaires

Modes axisymétriques

High speed stereo particle image velocimetry

Turbulent jets

Vortical interactions

Axisymmetric modes

Résumé

Cette thèse contribue aux connaissances fondamentales sur les structures à grande échelle dans le champ proche des jets ronds turbulents. Tout d'abord, une interaction spécifique entre les anneaux tourbillonnaires et les tourbillons longitudinaux dans la couche de cisaillement est explorée. Le résultat de cette interaction est supposé se manifester par une organisation radiale des tourbillons longitudinaux, par opposition à leur réseau azimutal rapporté dans la littérature. Des mesures par PIV stéréoscopique à haute cadence sont effectuées dans un plan transversal, deux diamètres en aval de la sortie de la buse. L’intensité des anneaux tourbillonnaires est modifiée par une excitation axisymétrique (nombre d'onde azimutal m=0) et l'organisation résultante des tourbillons longitudinaux est caractérisée. On constate qu'à mesure que la force relative entre les anneaux et les tourbillons longitudinaux augmente, l'organisation de ces derniers se déplace progressivement vers le réseau azimutal, ce qui corrobore l'hypothèse mentionnée ci-dessus. Les résultats suggèrent l'influence des tourbillons longitudinaux sur les anneaux tourbillonnaires, plus faibles, formés dans les jets ronds à des nombres de Reynolds élevés. Un modèle simple est ensuite construit pour isoler et étudier l'interaction ci-dessus à l'aide de simulations numériques. À cet égard, l'évolution d'un anneau tourbillonnaire isolé est d'abord étudiée. Cet anneau est ensuite placé dans le cisaillement moyen d'un jet. Une comparaison entre l'évolution de l'anneau en présence et en absence de cisaillement permet de comprendre le rôle joué par le cisaillement dans la rupture de l'anneau tourbillonnaire.Dans un deuxième temps, les données de PIV stéréoscopique à haute cadence sont analysées plus en détail pour caractériser les stries dans les jets ronds turbulents. Leur coexistence avec les anneaux tourbillonnaires et les tourbillons longitudinaux est étudiée. Les résultats indiquent que les stries sont situées dans le bord extérieur de la couche de cisaillement, et y sont quasi-stationnaires, tandis que le système convectif formé par les anneaux tourbillonnaires et les tourbillons longitudinaux les alimente en éjectant du fluide vers l'extérieur du jet. Le renforcement des anneaux tourbillonnaires par forçage ne semble pas modifier de manière significative la présence des stries, ce qui suggère un quasi-découplage entre les deux.Enfin, différents modes m=0 dans le champ proche des jets ronds sont étudiés, pour mettre en évidence les différences entre ce que la littérature qualifie de "mode de jet préférentiel", et le mode le plus énergétique (correspondant à la fréquence de passage des anneaux). Les mesures d'anémométrie fil chaud à différents emplacements axiaux et les données de PIV stéréoscopique à haute cadence à deux diamètres indiquent que les deux modes ont des structures radiales différentes. On constate également que l'excitation du mode le plus énergétique du jet pourrait fournir des taux d'évasement plus élevés que le mode de jet préférentiel, pour un même niveau de forçage d'entrée.

This thesis aims at gaining fundamental understanding of the large scale structures in the near field of turbulent round jets. First, a specific interaction between vortex rings and streamwise vortices within the shear layer is explored. The result of this interaction is hypothesized to manifest itself in a radial organization of streamwise vortices, as opposed to the azimuthal one reported in the literature. High-speed stereo particle image velocimetry (HS-SPIV) is performed in a cross-sectional plane, two diameters downstream of the nozzle exit. The strength of the vortex rings is varied through axisymmetric (azimuthal wavenumber m=0) excitation and the resulting organization of streamwise vortices is monitored. It is found that as the relative strength between the rings and streamwise vortices increases, the organization of the latter vortices gradually shifts towards azimuthal array, thus corroborating the above mentioned hypothesis. The results confirm the influence of streamwise vortices on the weaker vortex rings formed in round jets at high Reynolds numbers. Next, a simple model is built to isolate and study the above interaction using numerical simulations. In this regard, first the evolution of an isolated vortex ring is studied. This ring is then placed in a mean shear of a jet. A comparison between the evolution of the ring in the presence and absence of shear provides insights into the role played by shear in the vortex ring breakdown.As a second part, the HS-SPIV data is further analyzed to characterize streaks in turbulent round jets, and their co-existence with vortex rings and streamwise vortices is explored. The results indicate that streaks are found in the outer edge of the shear layer where they remain almost steady, while the convecting system of vortex rings and streamwise vortices feed them by ejecting fluid outwards from the jet core. Strengthening the vortex rings through forcing is not seen to significantly alter the presence of the streaks, suggesting an almost decoupling between the two.At last, different m=0 modes in the near field of round jets are studied, to highlight the differences between the so-called “jet preferred mode” and the most-energetic mode (corresponding to the passage frequency of rings). Hot-wire anemometry measurements at different axial locations and the HS-SPIV data at two diameters indicate that the two modes have different radial structures. It is also found that exciting the jet at its most energetic mode could provide higher spreading rates than the jet preferred mode for the same input forcing level.