Academic literature on the topic 'Jet en écoulement croisé'

Un jet de fluide soumis à un écoulement transversal génère une dynamique très complexe, dont la description et la prédiction constituent un enjeu tant fondamental qu'industriel. L’étude s'appuie sur une corrélation étroite entre l'approche expérimentale et la simulation numérique de l'écoulement. La configuration étudiée concerne une buse de section rectangulaire ayant un rapport d'aspect de 2. L’écoulement transverse et celui du jet sont turbulents. Les rapports de vitesses Uj/Ut sont compris entre 3 et 6. L’expérimentation est successivement conduite en canal à eau et en souffleries. Les résultats proviennent de l'analyse des visualisations ainsi que de l'exploitation des mesures du champ instantané de vitesse et de température par vélocimétrie à 2 fils chauds croisés et fil froid et par vélocimétrie laser à effet doppler. Les mesures sont pour l'essentiel réalisées dans le plan médian du jet. La notion de ligne centrale du jet est d'abord définie et quantifiée. Ensuite une approche métrologique originale permet de mesurer les grandeurs moyennes et leurs fluctuations dans un repère de Frénet porte par les lignes de courant. L’analyse statistique des fluctuations permet la détermination des échelles de turbulence, des flux turbulents et du nombre de Prandtl associé. L’analyse fréquentielle des données montre le caractère fortement instationnaire de l'écoulement. Une fréquence caractéristique émerge nettement des que la vitesse du jet est suffisante. Elle correspond à un nombre de Strouhal de 0. 1. La simulation numérique en volumes finis est menée selon une approche stationnaire puis instationnaire. La solution stationnaire ne converge pas vers la moyenne des solutions instationnaires qui se révèle seule en très bonne concordance avec l'expérience, tant sur les valeurs moyennes que sur la prédiction des structures spatio-temporelles. L’émission par une buse rectangulaire ne modifie pas qualitativement l'organisation spatiale et temporelle de l'écoulement observé en buse circulaire. En revanche, la synthèse de nos résultats permet d'une part de préciser quantitativement les champs de vitesse et de température dans la configuration étudiée et d'autre part, de compléter la description habituellement admise de l'évolution temporelle des deux vortex contrarotatifs marquant le développement du jet.

On étudie expérimentalement l'interaction d'un jet issu d'une fine fente rectangulaire perpendiculaire à un écoulement transversal en milieu confiné. Différentes techniques optiques non intrusives (tomographies laser à fluorescence induite, anémométrie laser à effet doppler, filets colorés, particle streak velocimetry, particle tracking velocimetry) sont employées afin d'appréhender cette configuration complexe. Dans une première partie de l'étude, une description de l'écoulement moyen est obtenue par le biais de relevés anémométriques et de visualisations réalisées dans les trois directions normales. Les résultats montrent, d'une part, l'influence du nombre de Reynolds dépitant et du rapport d'injection sur différentes caractéristiques de l'écoulement moyen et, d'autre part, nous permettent d'effectuer une topologie relativement fine de la structure de l'écoulement. Dans une seconde partie, nous nous attachons à décrire l'aspect instationnaire de l'interaction caractérise principalement par la présence de différentes structures tourbillonnaires (tubes tourbillonnaires transversaux) au niveau des frontières supérieures et inférieures du jet. Les relevés spatio-fréquentiels relatifs aux structures inférieures montrent que la perte de stabilité du jet est liée, pour de faibles vitesses, à un système d'amplification dans lequel différents phénomènes sont couples (sillage - kelvin-helmholtz et amplification due à la géométrie elliptique des tourbillons contrarotatifs longitudinaux). Enfin, nous nous intéressons aux différentes évolutions des structures cohérentes à l'aval de l'injection (déchirement, détachement, destruction par impact, coalescence tourbillonnaire). Une attention plus particulière est portée au mode de coalescence tourbillonnaire qui se révèle être un processus purement tridimensionnel

Ce mémoire présente une étude expérimentale paramétrique des mécanismes de rupture de jets dans un écoulement gazeux transverse, à pression atmosphérique et à pression ambiante élevée. Afin de caractériser les processus de rupture, différentes techniques d'imagerie, telles que l'ombroscopie ou la tomographie sous différents angles de vue, ont été utilisées. Les résultats ainsi obtenus ont permis de corréler les conditions d'injection aux modes de fragmentation et de décrire les mécanismes physiques d'atomisation mis en jeu, puis de classifier les types de rupture par leur morphologie en fonction de nombres de Weber basés sur la vitesse du jet et du gaz. Une expression analytique de la trajectoire du jet, dépendant de son coefficient de trainée, a été établie. Elle permet d'estimer certaines caractéristiques du jet (rayon de courbure, accélération centripète) et du gaz (vitesse relative par rapport au jet). En association avec une cartographie des coefficients de trainée du jet en fonction des conditions d'injection, on peut ainsi prédire la trajectoire du jet. Un traitement des images, base sur l'extraction du contour du jet, rend compte des échelles de pénétration du jet dans le flux gazeux transversal et de longueur d'onde des instabilités. Les longueurs d'onde expérimentales ont ensuite été confrontées aux résultats obtenus à l'aide de théories linéaires afin d'établir le type d'instabilité (Rayleigh-Taylor ou Kelvin-Helmoltz) intervenant dans un type de rupture dit en sac.

Le calcul aérothermique des jets débouchants en écoulement transverse nécessite des codes de calcul précis et robustes qui doivent être validés expérimentalement. Le problème traité dans ce mémoire a pour origine l'écoulement en sortie du système de dégivrage d’un turboréacteur. Après une étude bibliographique, la conception d’une forme générique conservant les aspects essentiels du problème est présentée ainsi que le dispositif expérimental et les moyens de mesure utilisés (thermographie IR, PIV, LDA, fils chaud et froid). La base de données obtenue grâce aux essais en soufflerie regroupe les mesures sur des configurations variées pour l'étude d’effets paramétriques (géométrie des éjecteurs, débit-masse éjecté, répartition de pression pariétale) et les mesures détaillées sur un cas particulier pour l'évaluation fine de modèles. Un calcul RANS (k-l de Smith) réalisé sur cette dernière configuration avec le code elsA de l'ONERA est présenté et les résultats sont comparés aux mesures.

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

Analyse des phénomènes de transport entre le jet et l'écoulement extérieur. Les équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie sont écrites dans un repère curviligne base sur la trajectoire du jet. Détermination du champ de vitesse induit par le jet

Le refroidissement par film froid des aubes des turbines aéronautiques d’avion est utilisé depuis quelques décennies pour augmenter la température d'entrée de la turbine (TIT) et ainsi augmenter la poussée, et également pour prolonger la durée de vie de l'aube de turbine. Les normes d'émission strictes des polluants encouragent l'amélioration de l'efficacité globale de la turbine et donc l’optimisation du processus de refroidissement par film. C’est une technique par convection forcée dans laquelle un jet froid est injecté à travers des trous discrets à la surface de l'aube de turbine de manière à former une couche d'air frais sur la surface de l'aube protégeant efficacement l'aube des flux à très haute température résultant de la combustion. Ce principe peut être étudié académiquement comme un jet débouchant dans un écoulement transverse. Cet écoulement est très complexe parce que de nombreuses structures cohérentes turbulentes se développent et interagissent les unes avec les autres. L'un des systèmes de tourbillons les plus importants est la paire de tourbillons contra-rotatifs (CRVP) résultant des contraintes de cisaillement qui se développent dans la couche de mélange supérieure entre le jet débouchant et le jet principal. La courbure du jet débouchant le long de la direction du flux transversal intensifie le développement du CRVP qui augmente ainsi le mélange entre les deux écoulements, ce qui réduit l'efficacité du film de refroidissement. Par conséquent, dans cette étude, une organisation spatiale de trous auxiliaires est étudiée expérimentalement et numériquement pour réduire l'intensité de l’influence du CRVP, ce qui contribue finalement à augmenter l'efficacité du refroidissement du film adiabatique. Les trous auxiliaires, placés en amont du trou principal, permettent de réduire l'intensité du CRVP issu du trou principal du fait de la diminution des contraintes de cisaillement subies par le jet issu du trou principal. Dans cette thèse, une méthode numérique basée sur des simulations RANS utilisant le modèle de turbulence k-ω SST a été utilisée pour optimiser l’organisation spatiale des trous auxiliaires et pour avoir une compréhension préliminaire de ces interactions de structures cohérentes. Une étude détaillée de la structure instationnaire de l'écoulement a également été réalisée à l'aide de la simulation aux grandes échelles L.E.S. Pour étudier expérimentalement les champs de température dans le fluide, une métrologie de mesure de température a été spécialement développée : la thermométrie utilisant le rapport d’intensités spectrales d’émission de phosphorescence du ZnO à l’aide d’une seule caméra intensifiée. Cette technique permet la mesure de la température instantanée et moyenne de manière non intrusive. Une analyse détaillée des propriétés d'émission du luminophore ZnO excitée par un laser à 266 nm est décrite. Une procédure d'étalonnage a été développée et testée dans une cavité Rayleigh-Bénard remplie d’eau. Ensuite, cette procédure a été mise en œuvre sur le nouveau banc d'essai BATH pour étudier expérimentalement le film de refroidissement dimensionné par la simulation RANS pour trois taux de soufflage. L'analyse des résultats expérimentaux et numériques aide à identifier les structures cohérentes clés, conduisant à une meilleure compréhension des phénomènes physiques mis en jeu et à appréhender l'augmentation de l'efficacité de refroidissement du film dans le système de trous auxiliaires par rapport à un trou cylindrique simple classique
Film cooling of aircraft gas turbine blades has been in use since a few decades now to improve the Turbine Inlet Temperature (TIT) and to extend the lifetime of the turbine blade. Additionally, stringent emission norms stipulate the improvement of overall efficiency of the gas turbine engine and hence the need to improve film cooling process. Film cooling is a technique where a cold jet is injected through discrete holes on the surface of the turbine blade, so as to form a layer of cool air over the surface of the blade, effectively protecting the blade from high temperature crossflows arising from the combustion chamber. This problem can be viewed as a Jet In Cross-Flow (JICF) phenomena where the interaction of the crossflow with a jet injected perpendicular or at an angle creates a system of vortices. One of the most important vortex systems in this arrangement is the Counter Rotating Vortex Pair arising from the shear forces at the sides of the ejecting jet with the crossflow primarily. The bending of the jet along the direction of the crossflow promotes the CRVP to ingest hot crossflow into the jet stream which reduces the effectiveness of the film cooling system. Hence, in this study, an auxiliary hole system is studied experimentally and numerically to reduce the intensity and the height of the CRVP which eventually helps in an augmented adiabatic film cooling effectiveness. The auxiliary holes placed upstream of the main film cooling hole reduces the intensity of the main hole CRVP due to the reduction in the shear forces experienced by the jet emanating from the main hole. In this thesis numerical analysis through RANS study using k-ω SST turbulence model to have a preliminary understanding of the auxiliary hole system and a detailed understanding of the flow structure using Large Eddy Simulation are performed. The highlight of this work is the development of single camera phosphor thermometry using the spectral intensity ratio method. This technique allows the measurement of the instantaneous and mean flow temperature non-intrusively. A detailed analysis of the emission properties of ZnO phosphor upon excitation by a 266nm laser is described. A calibration procedure for the intensity ratio method is defined and it is tested using a Rayleigh-Bénard natural convection process. This phosphor thermometry procedure with the validated code is implemented on the new BATH test Rig to study film cooling arrangements. Three different configurations are tested for their aero-thermal characteristics at penetration blowing ratio regime. Analysis of the experimental and numerical results help in identifying key vortex structures, leading to the better understanding of reasons for the augmentation of film cooling effectiveness in the auxiliary hole system compared to a classical simple cylindrical hole

Des méthodes numériques sont présentées qui permettent la simulation de jets chauds débouchants dans un écoulement transverse aux grands nombres de Reynolds et aux rapports des vitesses faibles. Différentes approches pour la modélisation de turbulence, c'est-à-dire URANS, SAS, DDES et ELES, sont validées par comparaison à des données expérimentales pour une configuration générique, soulignant la nécessité de résoudre les différentes échelles turbulentes pour une prévision correcte du mélange thermique. L'analyse de la solution instationnaire permet l'identification de processus dynamiques intrinsèques ainsi que des phénomènes de mélange et l'application de l'analyse en composantes principales révèle l'ondulation latérale du sillage de jet. Du fait du caractère multi-échelles qui se manifeste dans la simulation d'un jet débouchant sur une configuration avion, l'approche séquentielle basée sur le modèle SAS est mise en place. Comme les résultats pour la sortie d'un système de dégivrage de nacelle sont en bon accord avec les données d'essai en vol, cette approche est finalement appliquée à la sortie complexe d'un système de pre-cooler, mettant en valeur sa capacité à être appliquée dans un processus industriel
Numerical methods for the simulation of hot jets in cross flow at high Reynolds numbers and small momentum ratios are presented. Different turbulence modeling strategies, i.e. URANS, SAS, DDES and ELES, are validated against experimental data on a generic configuration, highlighting the necessity of scale-resolution for a correct prediction ofthermal mixing. The analysis of transient flow simulations allows the identification of inherent flow dynamics as well as mixing phenomena and the application of the Proper Orthogonal Decomposition revealed the lateral wake meandering as being one of them. Due to the multi-scale problem which arises when simulating jets in cross flow on real aircraft configurations, the sequential approach based on the SAS turbulence model is introduced. As results for the exhaust of a nacelle anti-icing system comprising multiple jets in cross flow agree well with flight test data, the approach is applied in a last step to the complex exhaust of a pre-cooling system, emphasizing the capabilities of this methodology in an industrial environment

Un calcul 2D, à l'aide de la représentation de Clebsch, utilisant la méthode des éléments finis a été développé pour prédire une perte de l'écoulement du jeu sous forme d'un tourbillon du jeu secondaire. L'idée de base est de supposer que la vorticité axiale induite par la différence de la pression statique extrados-intrados est la caractéristique majeure du tourbillon du jeu. On calcule ainsi l'écoulement induit sur le plan orthogonal à l'axe de la machine. Il est caractérisé par l'écoulement de fuite à travers le jeu vers le côté extrados de l'aube. Les résultats montrent une forte interaction entre l'intensité de la vorticité et la perte de la pression totale relative. Une technique de mesure est présentée pour décrire un écoulement 3D en utilisant une sonde composée de deux fils chauds croisés. Une méthode de traitement pour obtenir ce champ d'écoulement 3D a été développée à l'aide de la double série de Chebyshev. Le plan formé par les fils a été placé face à la direction de l'écoulement aval. Les résultats obtenus montrent l'effet de l'écoulement du jeu par l'augmentation de l'intensité de la turbulence de l'ordre de 10 % de la vitesse de rotation au carter. La validation d'un code de calcul 3D Navier-Stokes, "Canari", développé par l'ONERA (Office National d'Etudes et de Recherches Aérospatiales) qui tient compte de cet effet de l'écoulement du jeu a pu être étudiée.

Cette etude contribue a la modelisation de la pulverisation d'un jet liquide par un jet de gaz coaxial. La configuration de jets diphasiques mise en place est une simulation de l'injection coaxiale generee avec de l'oxygene liquide lox et de l'hydrogene gazeux gh#2 dans le moteur cryotechnique vulcain de la fusee ariane v. La visualisation de jets d'eau ou de solutions aqueuses d'un tensioactif, assistes par des jets d'air, par l'intermediaire d'une nappe laser stroboscopee, fournit des photographies utiles a la comprehension de la structure des jets coaxiaux. Les mesures du taux de presence de liquide, effectuees au moyen d'une fibre optique, dans la zone dense des pulverisations, ont permis de mettre en evidence l'interaction entre les deux ecoulements adjacents. En particulier, elles montrent que le gaz penetre tres tot dans le liquide en formant une surface d'echange complexe. D'autre part, ces mesures ont rendu possible la classification des jets coaxiaux liquide/gaz en deux regimes d'ecoulement distincts, fonctions des conditions initiales d'injection. La mise en equation du taux de presence axial de liquide dans le voisinage de l'injecteur nous a conduit a proposer une correlation destinee a la prediction de la longueur de rupture du jet diphasique. Un analyseur de particules par la methode des phases doppler (pdpa) a servi a l'exploration de la zone diluee des jets. La taille des gouttes, leur vitesse axiale moyenne ou fluctuante ont ete determinees. Enfin, une premiere approche du bilan de masse montre que la zone centrale dense des jets coaxiaux se caracterise par un glissement entre les phases