Дисертації з теми "Jet en écoulement croisé"

On étudie la pulvérisation numérique de jets et de nappes liquides. Dans la première partie une revue bibliographique du problème présente la théorie des instabilités de Kelvin-Helmholtz et différents résultats expérimentaux antérieurs. Dans le seconde partie on présente différentes méthodes numériques : technique de suivi d'interface (Volume of Fluid), de calculs des efforts de tension de surface (CSF) et de résolution des équations de Navier-Stokes (Mac Cormack). La dernière partie décrit une méthode particulaire (SPH) permettant de traiter des interactions d'écoulements liquides et gazeux. Les principaux phénomènes interfaciaux, tels que la tension de surface et la vaporisation sont pris en compte. Des calculs 2D et 3D de déformation de jets liquides dans les écoulements gazeux supersoniques sont analyses et comparés avec des résultats expérimentaux.

Ce travail a pour but une approche numérique de la convection mixte due à l(action d'un jet d'air anisotherme dans une cellule d'habitation. Après avoir rappelé les lois et les équations gouvernant la convection, dans notre cas, nous exposons le traitement numérique pas différences finies que nous avons appliqué à ces équations ainsi qu'une première validation e notre modèle numérique effectuée pour le régime de convection naturelle laminaire. Nous faisons ensuite une approche de la convection mixte bidimensionnelle laminaire et mettons en évidence différents types d'écoulement pour les cas d'injection à co-courant et à contre-courant. Une étude complémentaire est menée pour prendre en compte les cavités à géométrie complexes : parois intérieures, frontières libres. Nous présentons ensuite le traitement des écoulements turbulents par un modèles k-epsilon sans fonction de paroi, et une comparaison est effectuée pour la convection naturelle turbulente. Enfin, le dernier chapitre est consacré aux résultats expérimentaux en convection mixte obtenus sur une échelle de taille réelle et à nos premières simulations numériques de la convection mixte turbulente bidimensionnelle
The aim of this work is a numerical and experimental approach of mixed convection induced by ab air injection into a dwelling cell. We first present physic laws and governing equations of the flows inside the cell, and then the numerical treatment using finite differences. Results for laminar natural convection are compared with existing works. Then an approach of two-dimensional mixed convection allows us to find characteristic flow regimes for aiding or opposing flow of natural convection. Cavities with complex geometries such as inside boundaries and free boundaries are also studied. Afterwards, we present turbulence modelling using a k-epsilon model and no wall function. Comparison with other works is done about turbulent natural convection. In the last chapter, we show experimental results relative to mixed convection within a real scale cell and first numerical simulation of two-dimensional turbulent mixed convection

Les travaux que nous présentons se structurent autour d'une analyse du jet issu d'un système de diffusion d'air et du couplage de celui-ci avec un local. La première partie est consacrée à une revue bibliographique sur les jets et les indices qui permettent de qualifier l'ambiance thermique des locaux climatisés. Le deuxième chapitre est réservé à la description du dispositif expérimental que nous avons développé au CETIAT de Villeurbanne. Le troisième chapitre nous conduit à une analyse détaillée du jet d'air froid issu du système de diffusion d'air et à une identification de ses caractéristiques principales. Les résultats obtenus montrent une bonne cohérence par rapport à des études plus classiques menées sur des jets de paroi tridimensionnels et an isothermes. Enfin, le dernier chapitre est consacré à l'étude de la performance du système de diffusion d'air et du confort thermique dans la zone d'occupation du local
The work we present is based both on the analysis of the jet released from an air diffusion system and the coupling of the jet with a dwelling. The first part is devoted to a bibliographical review about jets and the indices allowing to assess the thermal environment of air conditioned dwellings. The second chapter is the description of the experimental set up which has been developed in the CETIAT on Villeurbanne. The third part leads to an accurate analysis of the cold jet issued from the air diffusion system and to an identification of its main characteristics. The results display a good agreement according to more academic studies conducted on 30 and anisothermal wall jets. Finally, the last chapter sets out the study of both the performance of the air diffusion system and the thermal comfort in the occupancy zone of the dwelling

L'etude de l'injection de gaz dans un fluide anime d'un mouvement perpendiculaire au precedent offre un interet certain aussi bien sur le plan industriel (refroidissement d'aubes de turbines, sustentation d'avions a decollage vertical ou atterrissage court, dispersion de polluants), que sur celui de la securite (fuites de vapeur d'eau dans du sodium). Dans ce travail, nous nous interessons aux jets diphasiques (gaz-liquide) soumis a un courant traversier. Plus precisement, notre etude porte sur un jet d'air circulaire debouchant horizontalement dans une couche limite turbulente verticale d'eau. Son objectif est d'avoir une meilleure comprehension de ses caracteristiques principales comme sa forme exterieure, sa structure interne ou ses interactions avec le milieu environnant. La visualisation du jet et la detection locale de la nature des phases au moyen d'une sonde optique ont montre l'existence d'une poche de gaz de grande dimension entouree d'une mince couche de melange diphasique dans sa premiere partie suivie d'une zone de melange intense tres lumineuse. En aval de cette derniere, le jet perd sa coherence et des paquets du melange gaz-liquide sont entraines par le courant liquide. L'analyse des images a permis de montrer une croissance lineaire de l'aire de la section du jet dans la premiere partie de l'ecoulement. Ce resultat est similaire a celui obtenu pour un jet homogene ayant un mecanisme totalement different. La mesure du taux de presence du gaz a mis en evidence la structure interne du jet. La poche de gaz est entouree d'une interface gaz-liquide d'une epaisseur egale a 5 mm. L'interaction entre le jet et le milieu environnant a ete etudiee en mesurant le champ de vitesse dans le plan de symetrie du jet. La zone en amont de l'injection est fortement perturbee par celui-ci. Il se comporte comme un obstacle solide : l'ecoulement liquide subit une forte deviation au voisinage de l'injection, les fluctuations de vitesse augment considerablement dans cette zone. En revanche, dans la region aval, le jet peut etre considere comme un obstacle souple : il n'existe pas de fort gradient de vitesse du liquide a sa frontiere. Par ailleurs, le mecanisme de rupture de la poche de gaz donc du jet en lui-meme est dependant de la vitesse du gaz a l'interieur de la poche et de la vitesse du liquide autour du jet.

Ce travail s'inscrit dans le contexte général de la compréhension des phénomènes liés à l'injection diesel, avec une attention particulière sur les interactions gouttes-gaz. Un écoulement stationnaire type diesel est produit par décharge d'eau pressurisée à travers un orifice de caractéristiques similaires à celles de l'injection diesel et débouche dans de l'air à pression et température ambiantes. L'écoulement est d'abord caractérisé expérimentalement par anémométrie phase doppler. Des ressemblances au niveau de la dispersion turbulente entre le jet étudié dans sa partie diluée et un jet d'air faiblement chargé de particules ont été mises en évidence, avec notamment une réponse sélective des gouttes aux fluctuations de l'écoulement. Il existe également une forte anisotropie entre les composantes fluctuantes longitudinales et transversales ainsi qu'une forte hétérogénéité dans la couche de mélange. La particularité de l'étude réside dans l'établissement progressif du jet porteur dans une zone ou le transfert d'énergie entre les gouttes et le gaz n'est pas complètement achevé, ce qui génère des conditions d'entrainement d'air spécifiques. Faute de moyens expérimentaux adéquats pour des mesures sur la phase continue, une technique basée sur un couplage fluorescence induite par laser et anémométrie laser à effet doppler est proposée. Dans les configurations optimales, l'efficacité de la discrimination entre les deux phases est proche de 70%. Par contre, des limitations sont constatées pour l'analyse d'un jet type diesel. L'écoulement est ensuite caractérisé numériquement avec le code kiva-ii. Par comparaison avec les résultats expérimentaux obtenus, il est montré que les quantités moyennes sont relativement bien décrites par le modèle utilisé. Par contre, les quantités fluctuantes sont sous-estimées, l'anisotropie constatée expérimentalement n'est pas transcrite, et le débit massique d'air entrainé est plus important que celui mesuré.

Cette Thèse de Doctorat est consacrée à l'étude des écoulements cisaillés réactifs supersoniques et plus particulièrement à la dynamique des jets compressibles fortement sous détendus. Ce type d'écoulement est rencontré dans un certain nombre d'applications relatives, par exemple, à l'injection d'hydrogène dans les superstatoréacteurs ou bien à l'allumage de moteurs fusées. Il est aussi représentatif du percement de réservoirs à haute pression. Ce travail s'appuie sur l'emploi d'un outil de simulation numérique haute fidélité: CREAMS (Compressible REActive Multi-species Solver). Ce code de calcul met en oeuvre des schémas numériques d'ordre élevé: schéma d' intégration d'ordre 3 en temps et d'ordre 7 et 8 en espace. Il s'appuie sur une description des termes de transport moléculaire et des termes sources chimiques la plus précise possible (transport détaillé et chimie complexe). Les simulations réalisées dans des conditions inertes permettent de caractériser l'importance des interactions choc/turbulence avec une attention particulière accordée au mélange turbulent à petite échelle. Les simulations réactives de jets fortement sous détendus d' hydrogène montrent les difficultés d'allumage et de stabilisation de la combustion pour ce type de conditions, même en présence d'un apport externe d' énergie. Enfin, l'analyse d'un jet représentatif d'un allumeur de moteur fusée révèle certaines spécificités de l'auto-allumage dans ces conditions non-prémélangées rapides
This dissertation is devoted to the study of sheared supersonic reactive flows and more specifically the dynamics of highly underexpanded jets. Such complex compressible turbulent flow conditions are of praclical interest for scramjets as well as rocket engines applications. Similar condit ions may also be found during the accidentai releases of flammable substances into the atmosphere during high pressure vessel rupture or venting. This work is conducted with a high fidelity computational solver: CREAMS (Compressible Multi-reactive species Solver). It uses high precision numerical schemes third-order Runge Kutta scheme for time integration, plus a combination of seventh and eighth-order centered and WENO schemes for spatial integration. The molecular transport terms and chemical sources terms are handled with the most accurate descriptions, i. e., including detailed transport and chemistry. Inert flow simulations allow to characterize the importance of shock/turbulence interactions with a special emphasis placed on the small-scale scalar mixing. Highly under-expanded reactive hydrogen jet simulations underline the specific difficulties associated to ignition and combustion stabilization even in the presence of an external deposit of energy. Finally, the analysis of the rocket engine igniter jet reveals some specific features of self-ignition phenomena in such non-premixed conditions

L'objectif de ce travail est de contribuer a la modelisation experimentale et numerique de l'interaction d'une injection perpendiculaire de paroi a taux d'injection r (rapport des debit-masses) voisins de 1 pour lesquels les modeles numeriques construits pour les cas a forts taux ne sont pas adaptes. On analyse en detail l'ecoulement au voisinage de l'orifice d'un jet circulaire, de 100 mm de diametre, emis a r=0,56 a travers une couche limite mince de plaque plane dans un ecoulement a 16 m/s. Des mesures de vitesse et de pressions moyennes et des visualisations decrivent l'interaction. Elles sont completees par des mesures instantanees de vitesse qui mettent en evidence des phenomenes instationnaires dont on detaille le mecanisme et les effets sur le jet. On compare l'experience a une modelisation integrale du jet et au resultat d'une simulation numerique stationnaire et turbulente utilisant le code natur3d developpe par l'ecole centrale de lyon. Celui-ci represente bien la region immediate de l'orifice et, plus en aval, la partie superieure du jet. L'analyse des differences entre cette simulation numerique et l'experience, pour l'ecoulement entre la paroi et la partie inferieure du jet, permet de quantifier l'effet de l'instationnarite sur le comportement moyen du jet. L'etude est etendue, sur le plan experimental, a l'effet de deux parametres importants pour les applications: l'epaisseur de la couche limite de paroi et l'effet du nombre de mach. On etudie le premier en incompressible avec d/d=0,9 et le second a m=0,8

L'etude de l'injection de gaz dans un fluide au repos ou anime d'un mouvement perpendiculaire au precedent offre un interet certain aussi bien sur le plan industriel (genie des procedes pour les reactions en l'absence de systeme d'agitation, refroidissement d'aubes de turbines, sustentation d'avions a decollage vertical ou atterrissage court, dispersion de polluants,), que sur celui de la securite (fuites de vapeur d'eau dans du sodium immobile ou en mouvement). Dans ce travail, nous nous interessons aux jets diphasiques (gaz-liquide) en presence du courant traversier. Plus precisement, notre etude porte sur un jet axisymetrique d'air debouchant horizontalement dans une couche limite verticale d'eau. Son objectif est d'avoir une meilleure comprehension de ses caracteristiques principales comme sa forme exterieure, sa structure interne ou ses interactions avec le milieu environnant. La visualisation du jet et la detection locale de la nature des phases au moyen d'une fibre optique ont montre l'existence d'une poche de gaz entouree d'une couche de melange diphasique dans sa premiere partie suivie d'une zone de melange intense tres lumineuse. En aval de cette derniere, le jet perd sa coherence et des paquets du melange gaz-liquide sont entraines par le courant liquide. L'interaction entre le jet et le milieu environnant a ete etudiee en mesurant le champ de vitesse autour du jet et la distribution de la pression statique sous et dans le jet. Une augmentation des vecteurs vitesse au voisinage du jet a ete remarquee. Cette derniere correspond exactement a la depression mesuree. De plus, un minimum de pression assez remarquable se situant sous le jet dans la position de la zone de melange intense a ete detecte. La geometrie du jet, l'intensite de minimum de pression sous le jet et la position de ce dernier peuvent etre calculees en fonction des parametres caracteristiques du jet

Les sons auto-entretenus produits (jusqu'à 125 dB) par l'impact sur une plaque fendue d'un jet libre à bas nombre de Mach et à grand rapport d'aspect, dénommée bruit de fente, est étudiée expérimentalement. Pour toutes les géométries du bord de la fente testées, ils sont engendrés à partir d'une vitesse de 6 m/s et lorsqu'une des résonances du conduit d'où débouche le jet est excitée. Le nombre de Strouhal associé à leur fréquence fondamentale décrit alors des paliers liés au nombre de tourbillons mis en évidence par des mesures anémométriques, avec des possibilités d'appariement tourbillonnaire. D'autre part, le domaine d'existence de cette fréquence fondamentale est défini par les fréquences des deux modes d'instabilité du jet. Si le bord de la fente est biseauté et si celui-ci est placé dos à l'écoulement, les sons auto-entretenus apparaissent à une vitesse inférieure (3,5 m/s), dès que le jet devient turbulent, et l'excitation d'un résonateur acoustique n'est alors plus nécessaire
The production of self-sustained tones (up to 125 dB) by a low Mach number free plane jet impinging on a slotted plate, known as slot-tone, is experimentally studied. For all geometries of the slot's edge tested, the tones are generated from 6 m/s and when a resonant mode of the duct from which the jet flows out is excited. The Strouhal number associated with the tones fundamental frequency describes stages. These one are linked to the number of vortices present, with vortex pairing possibilities. On the other hand, the frequency domain of the fundamental is defined by the two instability modes of the jet. If the edge of the slot is beveled and if this one is placed backwards to the flow, the tones occurs at a lower speed (3. 5 m/s) as soon as the jet becomes turbulent, and the excitation of an acoustic resonator is then not necessary

Depuis plusieurs années, l'industrie des turbines à gaz place au cœur de sa stratégie de recherche les enjeux à la fois environnementaux et économiques tels que : la diminution des polluants et des nuisances sonores et la réduction de consommation du carburant. Les progrès considérables enregistrés dans ce domaine sont particulièrement dus au développement de nouveaux moteurs à grand taux de dilution dont le fonctionnement s'effectue en régime globalement pauvre, ainsi qu'à l'amélioration du mélange dans les foyers. Dans ce domaine, le jet transverse à un écoulement principal bénéficie depuis longtemps d'une attention particulière : il constitue un cas intermédiaire représentatif d'une chambre de combustion et permet d'effectuer des comparaisons directes entre les simulations numériques et l'expérience. Dans ce contexte de développement industriel, la contribution de la simulation aux grandes échelles (LES) constitue un outil de recherche très performant dans la modélisation de tels écoulements. Le principal objectif de cette thèse vise à évaluer et à améliorer la qualité des prédictions LES sur des configurations de jets transverses isolés ou multiples. Un ensemble d'outils numériques et de techniques développés dans le code de calcul compressible AVBP est présenté dans ce travail. Les différents paramètres physiques et numériques à considérer pour l'étude de telles configurations sont également mis en évidence et des stratégies pouvant apporter des améliorations significatives sur les prédictions LES sont proposées. Les différents travaux étudiés dans cette thèse sont les suivants : - Etude de l'influence des conditions aux limites et du système d'injection d'un jet transverse isolé libre. - Etude d'un dispositif statique d'augmentation du mélange dans une configuration de jets transverses d'une turbine à gaz industrielle. - Etude d'une configuration de jets transverses d'une conduite cylindrique représentant une chambre de dilution de moteur à faibles émissions polluantes.

Lors d’un vol hypersonique (Mach 6, 20 km d’altitude) la couche limite se développant sur l’avant-corps d’un véhicule hypersonique est laminaire. Cet état cause un désamorçage du moteur (statoréacteur) assurant la propulsion du véhicule. Pour pallier ce problème, il faut forcer la transition de la couche limite á l’aide d’un dispositif de contrôle dont l’effet est permanent (passif) ou modulable (actif) pendant le vol. Dans ce travail, nous analysons l’efficacité d’un dispositif actif d’injection d’air á la paroi pour forcer la transition de la couche limite sur un avant-corps générique. L’interaction jet d’air/couche limite est simulée numériquement avec une approche aux grandes échelles (LES). Une étude paramétrique sur la pression d’injection permet de quantifier l’efficacité du jet á déstabiliser la couche limite. L’influence des conditions de vol (altitude, Mach) sur la transition est également étudiée. Une analyse des résultats de simulation par Décomposition en Modes Dynamiques (DMD) est menée pour comprendre quels sont les modes dynamiques responsables de la transition et les mécanismes sous-jacents. Des essais dans la soufflerie silencieuse de l’université de Purdue (BAM6QT) ont été effectués pour tester expérimentalement l’efficacité des dispositifs passifs (rugosité isolée en forme de losange) et actifs (mono-injection d’air) pour faire transitionner la couche limite. Une peinture thermo-sensible et des capteurs de pression (PCB, Kulite) ont été utilisés pour déterminer la nature de la couche limite. Les résultats de ce travail montrent qu’une injection sonique suffit pour forcer la couche limite. On observe des essais, que pour une même hauteur de pénétration, les rugosités isolées sont moins efficaces que les jets (mono injection) pour déstabiliser la couche limite
During a hypersonic flight (Mach 6, 20 km altitude), the boundary layer developing on the forebody of a vehicle is laminar. This state may destabilize the scramjet engine propelling the vehicle. To overcome this problem during the flight, the boundary layer transition has to be forced using a control device whose effect is fixed (passive) or adjustable (active). In this work, we analyze the efficiency of a jet in crossflow in forcing the boundary layer transition on a generic forebody. The flow is computed with a Large Eddy Simulations (LES) approach. A parametric study of the injection pressure allows the efficiency of the jet in tripping the boundary layer to be quantified. The influence of flight conditions (Mach, altitude) on the transition is also studied. Dynamic Mode Decomposition (DMD) is applied to the simulation results to determine the transition leading to dynamic modes and to understand underlying transition mechanisms. Experiments in the Purdue University quiet wind tunnel (BAM6QT) were performed to quantify the efficiency of a passive transition device (diamond roughnesses) and an active transition device (single air jet) in tripping the boundary layer. A thermo-sensitive paint and pressure transducers (Kulite, PCB) were used to determine the state of the boundary layer on the generic forebody. Experimental and numerical results show a sonic injection is sufficient to induce transition. We observe from the experiments that for the same penetration height, a single roughness is less efficient than a single air jet in destabilizing the boundary layer

Inscrit dans un projet de modélisation de la combustion du charbon pulvérisé dans les grands foyers à chauffe tangentielle réalisé en partenariat avec l'ADEME et la société ALSTOM Power, ce travail se focalise sur la connaissance des caractéristiques dynamiques de l'écoulement se développant dans de tels foyers. En particulier, les conditions initiales de l'écoulement définies par les brûleurs, jouent un rôle prépondérant. Un brûleur matérialisé par un jet complexe, est étudié de façon expérimentale et numérique. La revue bibliographique s'attache au détail de plusieurs caractéristiques propres à cette étude comme l'aspect coaxial, l'influence de l'introduction d'un gradient de masse volumique sur la redistribution du champ de vitesse ainsi que l'effet d'une géométrie rectangulaire sur le développement d'un jet libre. L'étude se focalise ensuite sur un fonctionnement en régime coaxial. Les mesures mettent en évidence des propriétés communes avec les jets coaxiaux circulaires comme l'existence d'un régime recirculant auto-entretenu. L'effet de la géométrie se manifeste tout particulièrement au travers de la morphologie de la région potentielle du jet. En complément, une étude numérique est réalisée à l'aide du code de calcul Fluent qui montre les limites de la modélisation employant des modèles de type moyenne de Reynolds classiques. Enfin, deux régimes spéciaux issus de l'industrie caractérisés par la mise en service de tous les injecteurs et pour un, par l'injection de dioxyde de carbone dans la partie centrale du jet, sont ensuite étudiés. Les données expérimentales en régime hétérogène ont été obtenues par l'emploi d'une sonde thermo-anémométrique spéciale. L'influence du gradient de masse volumique ainsi que la redistribution de masse volumique dans les couches de mélange sont analysées à l'aide de cet instrument. Enfin, une campagne de simulations numériques employant une modélisation aux grandes échelles est réalisée à partir de ces deux écoulements. Les résultats issus de ces simulations s'accordent correctement aux mesures. La validation de cette procédure de calcul permet d'exploiter les SGE pour analyser les propriétés de mélange et de transfert de masse dans le jet
Within a tangetially fired coal combution boilers modelisation project conducted in association with ADEME and ALSTOM Power, this work focuses on the dynamic characteristics of the flow inside the boilers. Initial conditions of the flow, are set by the burners. One burner is scaled down and experimentally and numerically studied. The bibliography focuses on particularities such as the coaxial aspect, the rectangular geometry and the influence of density variations onver the jet spreading. First part of the study deals with the coaxial regimes. Similarities with rectangular coaxial jets such as the auto-oscillating regime are pointed out experimentally. The influence of the geometry on the potential core morphology is also highlighted. In addition, a numerical study is lead with the Fluent CFD code using Reynolds averaged classical models. Then two specific regimes, issued from the industry are studied. Both uses four jets and one also involves a density gradient in the central part of the jet. Experimental evidences of the influence of the density gradient on the flowfield are obtained with a specially designed double howires probe. Finally a numerical simulation campaign is conducted using Large Eddy Simulations models. Good agreement with experimental data is found and LES results aare exploited to further explore the mixing ans the mass transfert properties of the jet

Lors du développement d’un nouvel avion, l’estimation des échanges d’énergie entre l’air ambiant et les parois est une donnée cruciale pour la conception aérothermique. Cette conception repose de plus en plus sur des simulations numériques mais certains phénomènes d’aérothermique externe, comme le jet débouchant du système de dégivrage des nacelles moteur, montrent les limites des modèles RANS classiques. La simulation des grandes échelles (LES) se révèle bien adaptée à ce type de phénomène mais se heurte à un coût de calcul extrêmement élevé pour ces écoulements pariétaux à très grand nombre de Reynolds. Pour lever cette limitation, cette thèse propose l’étude de deux briques fondamentales : la LES avec loi de paroi (WMLES) conjuguée à l’injection d’une couche limite turbulente à l’entrée du domaine. Pour une meilleure compréhension et une utilisation fiable de l’approche loi de paroi, on se concentre tout d’abord sur les sources d’erreur qui lui sont associées. Après les avoir identifiées, on propose une correction de l’erreur de sous-maille ainsi qu’une loi de paroi adaptée aux écoulements compressibles. Grâce à ces deux éléments, on obtient une estimation correcte du flux de chaleur pariétal sur des simulations WMLES de canal plan supersonique sur parois froides. Puis, pour préparer la transition vers des applications plus industrielles, on introduit un schéma numérique plus dissipatif ce qui nous permet d’étudier l’influence de la méthode numérique sur l’approche loi de paroi. Dans une seconde partie dédiée à l’injection de couche limite pour la WMLES, on sélectionne une méthode basée sur l’injection de perturbations combinée à un terme de contrôle volumique. On montre que des simulations WMLES utilisant cette méthode d’injection permettent d’établir une couche limite turbulente réaliste à une courte distance en aval du plan d’entrée, à la fois sur une plaque plane mais également sur un écoulement de jet débouchant à la géométrie plus complexe, représentative d’un cas avion.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale d'un jet en interaction avec un écoulement transverse de paroi (Jet In Cross-Flow, JICF). L'écoulement est monophasique et isotherme. Le ratio des vitesses (VR) de jet et d'écoulement est bas, et le jet est affleurant à la paroi, avec des géométries d'injection diverses : circulaires, elliptiques, rectangulaires, et chevrons. Cette étude a été réalisée en canal hydraulique à l'aide d'une méthode de vélocimétrie volumique optique (V3V) qui permet la mesure instantanée des 3 composantes du champ de vitesses, et l'ensemble du processus expérimental a été optimisé. La physique du JICF est analysée à l'aide des champs moyen et instantané, de statistiques et du suivi spatial de structure tourbillonnaire cohérentes. L'influence du VR sur la topologie d'écoulement est étudiée, et met en évidence l'existence d'une transition de soufflage à très bas ratios de vitesse. Nous étudions en détail les trajectoires et l'évolution des intensités tourbillonnaires des vortex composant le JICF, et un nouveau scaling de trajectoire est proposé. Les outils développés pour l'analyse du JICF rond ont été appliqués aux JICF non circulaires. La géométrie d'injection chevron conserve à la fois une intensité tourbillonnaire élevée et une trajectoire basse de jet, maximisant ainsi l'effet sur la couche limite. L'ensemble de ces résultats permettent une meilleure connaissance des jets transverses à bas VR, et seront très utiles pour la conception d'expériences de contrôle d'écoulement, en apportant des critères quantitatifs pour choisir les bons paramètres physiques et géométriques définissant les générateurs de vortex fluidiques.

Cette thèse est consacrée à l’étude expérimentale d’un jet en interaction avec un écoulement transverse de paroi (Jet In Cross-Flow, JICF). L’écoulement est monophasique et isotherme. Le ratio des vitesses (VR) de jet et d’écoulement est bas, et le jet est affleurant à la paroi, avec des géométries d’injection diverses : circulaires, elliptiques, rectangulaires, et chevrons. Cette étude a été réalisée en canal hydraulique à l’aide d’une méthode de vélocimétrie volumique optique (V3V) qui permet la mesure instantanée des 3 composantes du champ de vitesses, et l’ensemble du processus expérimental a été optimisé. La physique du JICF est analysée à l’aide des champs moyen et instantané, de statistiques et du suivi spatial de structure tourbillonnaire cohérentes. L’influence du VR sur la topologie d’écoulement est étudiée, et met en évidence l’existence d’une transition de soufflage à très bas ratios de vitesse. Nous étudions en détail les trajectoires et l’évolution des intensités tourbillonnaires des vortex composant le JICF, et un nouveau scaling de trajectoire est proposé. Les outils développés pour l’analyse du JICF rond ont été appliqués aux JICF non circulaires. La géométrie d’injection chevron conserve à la fois une intensité tourbillonnaire élevée et une trajectoire basse de jet, maximisant ainsi l’effet sur la couche limite. L’ensemble de ces résultats permettent une meilleure connaissance des jets transverses à bas VR, et seront très utiles pour la conception d’expériences de contrôle d’écoulement, en apportant des critères quantitatifs pour choisir les bons paramètres physiques et géométriques définissant les générateurs de vortex fluidiques
This thesis is dedicated to the experimental study of a Jet In Cross-Flow (JICF). The flow is monophasic and isothermal. The velocity ratio (VR) between jet and cross-flow velocities is low (0. 15

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre des études sur les écoulements turbulents gaz-solide et porte sur une étude numérique et une étude expérimentale de jets ronds coaxiaux diphasiques où le rapport des vitesses entre les jets externe et interne est supérieur et inférieur à un. Le but est de contribuer à la caractérisation des interactions entre la phase porteuse gazeuse et la phase dispersée et leur effet sur la modification de l'écoulement porteur. Le premier travail s'appuie sur une simulation de type Eulérienne / Lagrangienne qui résout les équations moyennées de Navier Stokes par la méthode des volumes finis. La turbulence du fluide est traitée par le modèle k-E standard. Le traitement de la phase dispersée consiste à un suivi Lagrangien de particules au sein de l'écoulement d'air. Le chargement en particules est suffisamment important pour que les particules influent sur la phase gazeuse (couplage) mais suffisamment faible pour pouvoir négliger les collisions interparticulaires. Le second travail consiste à réaliser un dispositif expérimental de jet gazeux ensemencé de particules solides (dp=100-212γm) issu d'un injecteur coaxial. L'écoulement diphasique est obtenu en utilisant un système d'ensemencement de particules assurant une injection régulière et homogène des particules dans le jet central. L'originalité de l'expérience consiste à mesurer simultanément les vitesses des particules et du fluide par une méthode optique non intrusive afin d'analyser le couplage entre deux phases. Ces résultats ont été obtenus à l'aide d'une chaîne de mesures optique PDA (Phase Doppler Anémométrie). L'analyse des caractéristiques dynamiques du fluide diphasique dans la zone proche de l'injecteur coaxial met en évidence que la vitesse de l'écoulement chargé est inférieure à la vitesse du fluide sans particules et que la présence des particules amplifie la turbulence du fluide lorsque la vitesse du jet centrale est supérieure à la vitesse du jet annulaire (ru>1). Ainsi, on note un décalage du pic de turbulence vers l'intérieur du jet central. Plus loin la vitesse moyenne du fluide en présence de particules devient supérieure à celle du jet monophasique à cause des transferts de quantité de mouvement des particules vers le fluide et on remarque une atténuation de la turbulence. Par contre, lorsque la vitesse du jet annulaire est supérieure à la vitesse du jet central (ru<1) on remarque une atténuation de la turbulence par la présence des particules et un décalage du pic de turbulence vers l'extérieur du jet central. On peut dire que la présence de particules solides permet à la turbulence de s'installer plus rapidement au sein du fluide pour ru>1. Lorsque ru<1, les particules ont tendance à calmer l'écoulement. Pour examiner l'approche numérique, les comparaisons avec mes travaux expérimentaux ont été réalisés. Les effets observés dans la partie expérimentale ont été reproduits dans deux cas différents (ru>1 et ru<1).

Une configuration en T-jonction a été étudiée pour sa simplicité en géométrie en comparant avec d’autres mélangeurs en industrie. Plus particulièrement, j’ai effectué des simulations numériques directes avec OpenFOAM des T-jonction convergent à section circulaire et rectangulaire. Les fluides Newtonien et non-Newtonien (modèle Bird-Carreau) ont été pris en compte. Dans un premier temps, j’ai comparé mes données avec le travail expérimental de Nguyen [1] sur le T-jonction circulaire en régime deflecting. J’arrive à valider la DNS avec les données expérimentales. L’organisation des structures cohérentes sont illustrées en régime laminaire et turbulent en Newtonien et en non-Newtonien. Dans un deuxième temps, j’ai simulé deux régimes (deflecting et impinging) dans un T-jonction rectangulaire en Newtonien et en non-Newtonien. J’ai montré l’existence de structures cohérentes (par example kidney vortex) qui servent de moteur au mélange du scalaire passif propre au non-Newtonien. L’efficacité de mélange est augmentée en régime impinging par rapport au régime deflecting. Le shifting du pic de turbulence est observé uniquement en régime impinging
For the simplicity in geometry by comparing it with other mixers in the industry, flows in T-junction configuration have been studied. More specifically, Direct Numerical Simulations is carried out using OpenFOAM on a convergent T-junction configuration with circular and rectangular cross-section. Both Newtonian and non-Newtonian fluids (Bird-Carreau model) are taken into account. Firstly, DNS data is compared to Nguyen’s experimental work on the circular T-junction at regime deflecting [1]. Good agreement between simlation and experiment is achieved. The organization of coherent structures is illustrated in laminar and turbulent for both Newtonian and non-Newtonian cases. Secondly, two flow regimes (deflecting and impinging) are simulated in a rectangular T-junction for the same Newtonian and non-Newtonian fluids. The existence of non-Newtonian coherent structures (e.g. kidney vortex ) is shown. These structures are regarded as essential mixing mechanism of passive scalar mixing. The mixing efficiency is increased in regime impinging compared to regime deflecting. The shifting of the turbulence peak is only observed in regime impinging

Cette étude porte sur l'amélioration des processus d'atomisation coaxiale en vue d'une application pour la stabilité d'une flamme cryogénique. La zone dense en liquide est étudiée au moyen d'une sonde à fibre optique et de PIV. Les vitesses et tailles des gouttes, obtenues par PDA et par imagerie, caractérisent la zone diluée. Le retrait favorise les transferts de quantité de mouvement gaz/liquide. Cependant, un effet non monotone est observé. Des interprétations, basées sur l'interaction entre les phases dans l'injecteur, ont été formulées. Le choix d'une géométrie optimale doit être guidé par les conditions d'injection et ambiantes. Un jet annulaire gazeux hélicoi͏̈dal entraîne, de par une dispersion accrue des structures liquides, une atomisation favorisée. L'apparition du phénomène de rupture de tourbillon modifie considérablement la morphologie du jet diphasique. Une atomisation complète du jet liquide et une inversion de la répartition des populations de gouttes sont alors observées
This study deals with coaxial atomization processes improvement with a view to cryogenic flame stabilization. The liquid core is investigated by means of an optical fiber probe and PIV technique. Droplet velocities and diameters, obtained by PDA and tomography, characterize the dilute spray. The recess of the liquid tube promotes Gas/Liquid momentum transfers. Nevertheless, a non-monotonic effect is observed. Interpretations, based on the Liquid/Gas interaction inside the injector, are formulated and demonstrate the gas injection velocity prevalence. Therefore, the optimal geometry must be determinate with respect to the injection and ambient conditions. Thanks to structure displacement enhancement, an helical annular gas jet leads to an improved atomization. Vortex breakdown phenomenon emergence modifies, significantly, the morphology of the jet. Actually, for this amount a swirl, completed atomization of the liquid jet and inversed droplet population take place

Ce travail est consacré à l'étude expérimentale d'un dispositif d'augmentation de mélange. Le principe retenu consiste à générer un décollement sur un bord de fuite biseauté. Ce décollement piloté, considéré comme un actionneur, génère un fort sillage à la fois vertical et transversal, ainsi que de la vorticité longitudinale sous la forme d'une paire de grosses structures contrarotatives. L'étude de cet actionneur dans une configuration simplifiée de couche de mélange plane permet de définir une géométrie efficace et ses caractéristiques majeures. L'analyse de la couche de mélange plane manipulée révèle de nombreuses modifications par rapport à l'écoulement naturel, accompagnées d'une importante augmentation du taux d'évasement. Les processus transitoires de l'actionneur, le passage d'un état collé à un état décollé sur le biseau et vice-versa, font l'objet d'une investigation particulière. Les temps caractéristiques de chacun des processus ainsi que les phénomènes correspondants sont mis en évidence. Dans la dernière partie de ce travail, une application du dispositif est réalisée sur un jet axisymétrique. Les deux configurations de répartition d'actionneurs étudiés montrent leur efficacité à augmenter le mélange. De plus, pour chacune de ces répartitions, l'analyse révèle que l'augmentation du mélange est liée à des phénomènes physiques différents
This work is devoted to the experimental study of a mixing enhancement device. The concept selected consists in forced separation on a bevelled trailing edge. This forced separation is considered as an actuator. It generates strong vertical and transverse wakes, as well as longitudinal vorticity with a pair of large counter-rotating structures. The study of this actuator in the simplified configuration of a plane mixing layer makes it possible to define an effective geometry and its principal characteristics. The analysis of the manipulated plane mixing layer reveals many modifications compared to the natural case. These are accompanied by an important increase of the spreading rate. The transient processes of the actuator, which are the passage from an attached flow to a separated flow on the bevel and the reverse process from separated flow to attached flow, are the subject of particular investigations. The characteristic times of each of the processes, as well as the corresponding phenomena are identified. In the last part of this work, the device is implemented on an axisymmetric jet. Two configurations of actuator distribution show their effectiveness in increasing the mixing. Moreover, for each of these distributions, analysis reveals that the increase of the mixing is related to different physical phenomena

Cette recherche concerne l'interaction entre un jet parietal supersonique et un ecoulement transversal compressible subsonique, telle qu'elle apparait pour le pilotage en force des missiles par jets lateraux. L'objectif de cette etude est de contribuer a la modelisation des interactions aerodynamiques complexes se produisant autour de la tuyere d'injection (interactions proches) et dans le panache du jet au niveau d'eventuelles surfaces aerodynamiques (interactions lointaines). L'effort est porte plus particulierement sur les interactions proches. Deux approches, l'une experimentale et l'autre numerique, sont menees en parallele. Une configuration fondamentale, constituee par un jet d'air froid supersonique (m=2,5) debouchant perpendiculairement d'une paroi plane est etudiee dans une soufflerie transsonique (m=0,8). Des visualisations strioscopiques, parietales et tomographiques par plan laser sont completees par des mesures de pressions et de vitesses moyennes en plein ecoulement et en paroi. Une premiere caracterisation des phenomenes instationnaires a grande echelle est effectuee sur la base de tomographies et d'analyses spectrales par fil chaud. Un modele decrivant l'interaction est propose. L'etude numerique consiste a simuler l'ecoulement a l'aide de deux codes de calcul, l'un resolvant les equations d'euler, l'autre celles de navier-stokes avec un modele de turbulence a deux equations de transport et une loi de paroi. Avec ce dernier code, le maillage est raffine autour de l'orifice et dans le panache grace a une procedure multidomaine et comporte plus de 700 000 points. Apres avoir ete valides par comparaison avec l'experience, les resultats numeriques sont exploites pour completer le modele des interactions. Ces simulations numeriques participent egalement a l'orientation des developpements futurs des codes de calcul et de la recherche experimentale.

L'etude concerne les conditions d'apparition et de developpement des structures tourbillonnaires prenant naissance par l'interaction entre un jet circulaire et un ecoulement transversal. Des visualisations par tomographie laser ont permis de distinguer: une file d'enroulements entourant la frontiere du jet. Ces structures, similaires aux anneaux toriques dans le cas du jet libre, sont constituees de la vorticite de la couche limite qui se developpe dans le tube d'injection. Un tourbillon en fer a cheval, situe en amont du tube d'injection, cree une zone d'ecoulement retour de faible epaisseur confinee tres pres de la paroi. Il est provoque par la concentration de vorticite de la couche limite amont en raison du blocage de l'ecoulement principal par le jet. Une paire de tourbillons contrarotatifs domine le champ lointain. Ces structures jumelles resultent d'une recombinaison des vorticites produites par la couche limite du tube d'injection et par celle de la paroi en amont de l'injection. Une seconde paire de tourbillons situee tres pres de la paroi dans le sillage du jet permet a une partie du fluide de remonter en direction de l'orifice d'injection. Des tourbillons de sillage induits par la reorganisation des differentes sources de vorticite. Ils participent activement au developpement de la paire de tourbillons contrarotatifs en aval. Une etude de l'instabilite longitudinale, qui donne naissance aux tourbillons entourant le jet, a ete realisee au moyen d'une analyse d'images et d'un traitement statistique. Elle montre une tres forte influence du rapport de vitesse (et dans une moindre mesure celle du nombre de reynolds de l'ecoulement principal) sur les principales caracteristiques de l'instabilite (longueur d'onde, periode, vitesse de convection). Le travail a ete complete par la mesure des trois composantes de la vitesse (et des differents taux de fluctuations) par anemometrie laser. Les resultats ainsi obtenus permettent d'analyser le caractere complexe de l'ecoulement dans le voisinage immediat de l'orifice d'injection. La complementarite entre ces mesures et les visualisations realisees pour une meme configuration a permis de confirmer les conditions de formations des structures tourbillonnaires

Dans le cadre de la recherche appliquee au moteur cryotechnique vulcain d'ariane v, cette etude porte sur la caracterisation en fluides simules eau/air de la pulverisation d'un jet issu d'un injecteur coaxial assiste. La zone dense est etudiee par une fibre optique donnant acces au taux de presence du liquide (tpl). La vitesse et la taille des particules sont detectees en zone diluee par un analyseur de particule a effet doppler (pdpa). Un plan laser pulse est utilise pour visualiser et interpreter les mecanismes. Le non-respect du critere d'ecoulement de liquide pleinement developpe amplifie la turbulence du liquide qui, des son ejection, se rompt sans modifier cependant la taille des particules formees. La mise en retrait du tube de liquide par rapport a celui du gaz ameliore le melange par une amplification dans le champ proche du transfert de quantite de mouvement. L'augmentation de l'epaisseur de la couronne gazeuse ameliore la pulverisation par un prolongement de la cinetique d'arrachage avec toutefois un risque d'apparition de confinement de la pulverisation. Chacun de ces mecanismes est ensuite modelise par son influence sur la longueur de rupture. Un modele integral, base sur les lois de conservation, sert a predire le flux de liquide atomise sur une section du jet. Il utilise, en complementarite, les donnees du pdpa et de la fibre optique. Un profil de vitesse du liquide du type abramovich et un critere de taux de presence de liquide inferieur a 0,5 pour definir la zone atomisee constituent les hypotheses du modele. L'analyse par fibre optique d'un jet d'oxygene liquide brosse par un gaz inerte nous a permis de caracteriser la longueur de rupture. L'utilisation de trois differents gaz coaxiaux permet de penser qu'au terme de rapport initial des densites de flux de quantite de mouvement gaz/liquide, il faille adjoindre le rapport des masses volumiques pour une representation plus complete

L'objectif de ce travail est le développement de modèles eulériens afin de rendre compte de façon satisfaisante de la pulvérisation d'un jet liquide dans un environnement gazeux. Les jets rencontrés dans les moteurs à injection directe essence sont au centre de cette étude. La première partie de ce travail est un état des lieux des principaux moyens permettant de simuler un écoulement diphasique gaz/liquide où les fragments liquides possèdent un large spectre de taille. Dans un second temps, nous nous sommes attachés à définir les grandeurs caractéristiques d'un jet liquide. L'étude a pour but d'estimer la taille des fragments liquides. Nous avons donc étudié les instabilités menant à la déstabilisation et à la fragmentation d'une nappe liquide à l'aide de la théorie linéaire. En effet, sous certains conditions, une nappe liquide se comporte de la même façon qu'un jet conique creux. Dans une troisième partie, des simulations numériques eulériennes permettant d'étudier l'écoulement à l'intérieur d'un injecteur de type swirl ont été réalisées. Ces simulations fournissent les propriétés physiques de l'écoulement en sortie d'injecteur (vitesse et grandeurs turbulentes). Ces grandeurs serviront ensuite de conditions limites d'entrée pour les simulations de la pulvérisation d'un jet conique creux. Nous avons ensuite développé des modèles eulériens de pulvérisation basés soit sur une approche du type modèle de mélange, soit sur une approche à deux fluides. Ces modèles permettent de prédire la taille des fragments liquides issus de la pulvérisation. Enfin dans une troisième partie les différents modèles développés sont testés [. . . ]

Le travail concerne l'étude expérimentale, d'un jet axisymétrique d'eau (Re ≈ 10[puissance]4), libre ou légèrement pulsé. Les mesures de ce dernier, sont réalisées par vélocimétrie laser et/ou vélocimétrie à film chaud. Dans une première approche, l'étude du champ des vitesses moyennes et fluctuantes, permet de retrouver les descriptions habituellement rencontrées dans l'analyse bibliographique. Notre contribution, a été d'apporter des informations supplémentaires concernant la formation et le développement des structures périodiques à l'aide d'une analyse spectrale et spatio-temporelle assez détaillée. L'analyse spectrale des fluctuations de vitesses longitudinales et radiales met ainsi en évidence des distances radiales privilégiées mais différentes pour chaque composante. Par ailleurs, il semble que juste en sortie de buse on assiste simultanément à la naissance de deux sortes de structures périodiques dont les caractéristiques sont pour l'une liées à l'épaisseur de la couche limite et pour l'autre au diamètre du jet. On note enfin que les phénomènes d'appariement ne concernent que la dernière structure signalée. Une légère pulsation du jet, ne modifie pas sensiblement les caractères globaux de son développement. En revanche, dans ce cas on assiste uniquement à la naissance de structures liées à la fréquence de pulsation ainsi qu'à leurs appariements successifs. Ayant montré que ce dernier phénomène avait les mêmes caractéristiques que celui enregistré dans le jet libre, l'analyse spatio-temporelle permet de suivre le développement de ces structures et de proposer un mécanisme décrivant leur origine et leur développement
The present study is concerned with the experimental analysis of an axisymmetric water jet (Re ≈10 [to the power] 4), free or slightly excited. The velocity measurements are realised with laser anemometer and/or hot film anemometer. In a first approaches, the study of the fields of average and fluctuation velocities allows the observation of a behaviour already met in literature. Our contribution is concerned with the supply of additional information regarding the formation and development of periodic structure by means of an exhaustive spectral and space-time analysis. Through spectral analysis of the fluctuations of longitudinal and radial velocities, it cornes forward sorne preferential radial distances which are distinct for each component. However, it seems that just at the outlet of the nozzle there is generation of two periodic structures, with characteristics related to the boundary layer thickness for the first, and to the jet diameter for the second. We note that pairing phenomena regards only the lastly designed structure. A slight pulsation of the jet, does not alter significantly the global behaviour of its development. However, in this case we observe only the generation of structures related to the pulsation frequency and to their successive pairing. Since this last phenomenon has the same characteristics as the one recorded for a free jet, the space-time analysis allows the tracking of the development of the structures and the proposition of a mechanism describing their origin development

L’atomisation assistée d’une phase liquide lente par un co-courant gazeux rapide est un sujet largement étudié dans la littérature, et des avancées notables sont intervenues notamment sur les mécanismes de brisure, la structure du jet atomisé ainsi que sur les caractéristiques des gouttes formées. En revanche, peu d’études traitent d’une configuration où la phase lente consiste en un jet diphasique gaz-liquide. Cette situation se rencontre par exemple lors du transitoire d’allumage des moteurs cryotechniques de fusée durant lequel la fraction volumique de gaz passe continument de 1 (jet interne purement gazeux) à 0 (jet interne purement liquide), de sorte que pratiquement tous les régimes d’écoulements diphasiques, allant du régime à bulles jusqu’aux écoulements annulaires, peuvent être observés.L’objectif est donc de comprendre comment la fraction volumique de gaz et/ou le régime d’écoulement diphasique du jet interne impactent les modes d’atomisation et in fine les caractéristiques du spray.Pour répondre à ces questions, des expérimentations ont été menées avec comme fluides de substitution de l’air et de l’eau en conditions ambiantes et sous gravité terrestre. Les trois paramètres de contrôle principaux sont la vitesse superficielle du liquide qui a été variée de 0,17 m/s à 2 m/s, la vitesse superficielle du gaz dans le jet interne qui a été fixée de telle sorte que la fraction de débit gaz balaye la plage 0 à 0,99 et enfin la vitesse du gaz externe qui a évolué entre de 20 à 200 m/s. Trois géométries d’injecteurs axisymétriques ont été utilisées pour d’une part accéder à tous les régimes d’écoulements diphasiques souhaités excepté l’écoulement à brouillard, et d’autre part pour varier le diamètre du jet central d’un facteur d’environ deux. Deux types de campagnes expérimentales ont été réalisées : une campagne à rapport des pressions dynamiques gaz-liquide fixé à 16 pour des fractions de débit volumique gaz variables, ainsi que des campagnes à fractions de débit volumique gaz fixe et M variable .Les caractéristiques structurelles du spray, sa longueur de brisure et l’angle du spray formé ont été mesurés par imagerie rapide alors que les caractéristiques de la phase dispersée, c’est-à-dire tailles, vitesses et flux de gouttes ont été mesurés par sonde optique.Les cartographies des régimes d’écoulements dans l’injecteur et des structures du jet diphasique avec et sans assistance par le gaz externe que nous avons établies ont permis de démontrer que ces structures étaient étroitement liées au régime d’écoulement du jet central. Trois modes d’atomisation principaux ont été identifiés et leur frontières établies. A faible fraction de débit gaz, l’atomisation de jets liquides chargés en petites bulles est sujet à l’épluchage de surface et aux battements latéraux à grande échelle comme sur un jet monophasique liquide. A très grande fraction de débit gaz, l’écoulement annulaire donne lieu à l’atomisation d’une nappe annulaire. Pour des valeurs intermédiaires, de nouvelles structures de type "parapluie" se forment à l’arrivée des bouchons de gaz caractérisées par une grande amplitude et un développement orthogonal au jet. L’atomisation des écoulements à régimes « churn » et annulaire donne lieu à des sprays à caractère intermittent du fait de passage de blocs liquides issus de l’écoulement interne.La longueur de brisure est réduite par l’ajout de gaz interne jusqu’à devenir très petite pour les fractions de débit gaz élevées. Le comportement de l’angle du spray est différent selon le diamètre du jet atomisé et le régime d’écoulement interne : il peut augmenter ou réduire selon la configuration.Les pdf centrées sur la taille goutte moyenne sont peu sensibles à la fraction de débit gaz. En revanche les tailles de gouttes moyennes et le flux volumique montrent des évolutions marquées : ils peuvent selon la fraction de débit gaz et donc selon la structure du jet atomisé réduire ou augmenter
Assisted atomization of a liquid phase slow by a rapid gas co-current is a topic widely studied in the literature, and significant advances have occurred especially on the breakup mechanisms, the structure of the atomized jet as well as the characteristics of formed drops. However, few studies deal with a configuration where the slow phase consists of a two-phase liquid-gas jet. This situation occurs for example during the transitional ignition of cryogenic rocket engines during which the volumic gas fraction decreases continuously from 1 (purely gas) to 0 (purely liquid), so that almost all two-phases flow regimes, from bubbly flow to annular flow can be observed.The goal is to understand how the volumic gas fraction and/or two-phase flow regime of internal jet impact the atomization modes and the characteristics of the spray.To answer these questions, experiments were conducted with as fluid of substitution air and water under ambient conditions and under gravity. The three main control parameters are the superficial velocity of the liquid which was varied from 0.17 m/s to 2 m/s, the superficial gas velocity in the internal jet that has been set so that the gas flow rate fraction sweeps the range 0 to 0.99 and finally the external gas velocity that has evolved between 20 to 200 m/s. Three geometries of axisymmetric injectors were used to firstly access any desired phase flow regimes except mist flow, and also to vary the diameter of the central jet by a factor of about two. Two types of experimental campaigns were carried out: a campaign where the gas-liquid dynamic pressure ratio was set at 16 for varied gas flow rate fraction, as well as campaigns with fixed gas flow rate fraction and variable M.The structural characteristics of the spray, its breakup length and the angle of spray were measured by high speed imaging while the characteristics of the dispersed phase, that is to say, sizes, velocities and flows of the drops were measured by optical probe.Mapping of flow regimes in the injector and two-phase jet structures with and without assistance by external gas that we have established have shown that these structures were closely related to the flow regime of the central jet. Three main atomization modes were identified and its borders established. For small gas flow rate fraction, the atomization of liquid jets laden bubbles is subject to surface peeling and large-scale lateral beats like a single phase liquid jet. For very large gas flow rate fraction, the annular flow results in the atomization of an annular liquid sheet. For intermediate values, new structures type of umbrella form at the arrival of gas slugs characterized by high amplitude and orthogonal development with respect to the jet. Atomization of “churn" flow and annular flow gives rise to intermittent sprays because of passage of "liquid blocks" from the internal flow.The breakup length is reduced by the addition of internal gas and become very small for the high gas flow rate fractions. The behavior of the angle of the spray is different depending on the diameter of the atomized jet and the internal flow regime. It may therefore increase or decrease depending on configuration.Centred pdf on mean drop size are not much sensitive to the gas flow rate fraction. However mean drop sizes and volumic fluxes show marked evolution: they can according to the gas flow rate fraction and therefore the atomized jet structure decrease or increase

La réduction de la quantité de polluants émis dans les gaz d'échappement des systèmes propulsifs est étroitement liée à l'amélioration de la conception des moteurs. Le carburant liquide est généralement introduit dans la chambre de combustion sous forme d'un brouillard de gouttelettes. Ces dernières subissent de nombreux phénomènes physiques tels que l'évaporation, l'impact sur les parois, la pulvérisation secondaire ou la collision. Les techniques optiques de mesure de la granulométrie sont difficilement applicable aux jets denses. Pour les étudier, la simulation numérique demeure l'unique solution. Une modélisation de tous les phénomènes physiques élémentaires est alors nécessaire. Pour atteindre ce but, des expériences de base sont réalisées afin d'étudier séparément chacun des processus physiques. Dans ce contexte, un dispositif expériemntal a été conçu pour établir une base de données sur la collision de deux gouttes. Il est équipé de deux injecteurs à orifice vibrant qui produisent des jets de gouttes calibrées et régulièrement espacées (jets monodisperses). Les collisions sont visualisées par ombroscopie. Un logiciel de traitement d'images développé pour cette étude est associé au banc de mesures afin de déterminer les tailles de gouttes, leur vitesse et à leur nombre après collision. Suivant les conditions initiales avant impact, fifférents régimes de collision apparaissent comme la coalescence, le rebond, la séparation par réflexion et la séparation par étirement ou rotation. A partir de mesures expérimentales, chaque régime de collision est caractérisé par le nombre de Weber, le parmaètre d'impact, le rapport des diamètres de gouttes et le nombre d'Ohnsesorge. Des modèles de comportement des gouttes après impact sont élaborés. Ils sont implantés dans des codes de simulation de jets denses de gouttes et les premiers résultats numériques sont exposés.

L’objet de cette thèse est de modéliser et de simuler des écoulements turbulents diphasiques incompressibles à phases non miscibles. La modélisation et la simulation de ce type d’écoulements sont traitées dans le cadre des méthodes de Simulation des Grandes Echelles (SGE) ou Large Eddy Simulation (LES) en anglais qui consistent à calculer directement les plus grandes structures de l’écoulement et à modéliser les plus petites. Ces méthodes adaptées aux écoulements turbulents monophasiques sont étendues au cadre des écoulements turbulents diphasiques. Pour cela, elles sont couplées avec une méthode eulérienne de type ’ Volume Of Fluid’ (VOF) spécifique au caractère diphasique de l’écoulement. La pertinence du couplage entre les modélisations SGE et VOF est testée sur la configuration industrielle proposée par le CEA-CESTA: l’impact d’un jet rond turbulent sur une surface libre eau/air dans une cavité. Des mesures expérimentales de vitesse (Particle Image Velocimetry PIV) réalisées au CEA-CESTA sont disponibles pour valider les résultats numériques issus des simulations
The scope of this dissertation is to model and simulate non-miscible two-phase turbulent and incompressible flows. The modeling and the simulation of this kind of flows are carried out in the framework of the Large Eddy Simulation (LES) which consists in calculating directly the largest structures of the flow and in modeling the finest ones. These numerical methods, applied usually to the simulation of single-phase turbulent flows, are extended to the simulation of two-phase turbulent flows in this work. Hence, the LES methods are coupled with an Eulerian ’Volume of Fluid’ (VOF) approach which is particularly adapted to interfacial flows. The relevance of this numerical coupling bewtween LES and VOF methods is validated in the following industrial configuration of the CEA-CESTA: the impact of a turbulent round jet on a free water/air surface in a cavity. Some experimental velocity measurements (Particle Image Velocimetry PIV), carried out at the CEA-CESTA, are available to validate the numerical results

Les procédés d'enduction sont largement utilisés dans l'industrie, notamment en sidérugie. Pour protéger les tôles de la corrosion, celles-ci sont enduites de métal liquide par immersion dans un bain. Lorsqu'elles remontent verticalement dans l'air environnant, un jet d'air plan turbulent les impacte perpendiculairement, induisant la retombée dans le bain d'une partie du métal. Le métal resté sur l'acier se solidifie produisant de la tôle galvanisée. L'essorage pneumatique tient son nom de l'utilisation d'un jet d'air pour diminuer l'épaisseur de métal liquide. Parmi les difféntes techniques d'enduction, l'essorage pneumatique par un jet plan est l'une des plus efficaces mais aussi des plus difficles à maîtriser. En effet, au cours de ce processus, l'impact du jet plan turbulent sur le film liquide fait intervenir l'interaction entre les écoulements diphasiques et turbulents, phénomène physique complexe. Relativement peu de références bibliographiques font écho de la simulation numérique du couplage diphasique / turbulent en général, et aucune n'a été consacrée à la simulation de l'essorage pneumatique en particulier. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte industriel. Elle présente une revue des différents modèles utilisés pour décrire les écoulements diphasiques d'une part et turbulents d'autre part, ainsi que la modélisation du couplage entre les écoulements diphasiques et turbulents. Les méthodes numériques employées pour résoudre le système des équations constitutives sont abordées puis validées. L'outil numérique est alors utilisé pour répondre aux problématiques industrielles d'enduction et d'essorage pneumatique, permettant ainsi d'améliorer la compréhension des phénomènes et d'optimiser le procédé d'essorage pneumatique.

Dans un certain nombre d'écoulements industriels, la génération de vortex calibrés constitue un moyen de mélange et de dispersion efficace. Cependant, le mouvement tourbillonnaire ainsi créé modifie fortement les propriétés dynamiques et la stabilité de l'écoulement lui-même. La présente étude s'intéresse à un cas académique qui est l'influence de la présence d'une paire de vortex contrarotatifs sur la stabi!ité d'un jet rond. Du point de vue expérimental, ces vortex sont initialement générés par l'écoulement dans un coude. Une modélisation théorique de l'écoulement de base simplifié est développée pour vérifier les conditions limites d'interface libre séparant deux fluides. Ce couplage des problèmes de jet rond avec ceux d'une paire de vortex, généralise en quelque sorte les approches classiques. Par ailleurs, de manière originale, nous introduisons dans cette modélisation un degré de liberté supplémentaire lié à la position du centre des vortex. L'analyse théorique de la stabilité linéaire met en évidence le caractère déterminant de ce paramètre. Un décalage initial des vortex vers l'intrados diminue le taux de croissance des ondes instables, alors qu'une position initiale vers l'extrados l'augmente. L'influence de ce paramètre a été étendue sur les propriétés convectives-absolues de la stabilité par le biais de la détennination du nombre de Weber critique. Parallèlement, une boucle expérimentale a été spécialement mise au point afin de mettre en évidence l'influence des vortex sur un jet rond classique dans l'air. La modification particulière de l'interface montre une bonne concordance avec le modèle développé. Enfin, une technique expérimentale originale a été développée pour la détermination quantitative des caractéristiques des ondes instables (taux de croissance, vitesse, longueur d'onde).

Cette thèse presente une étude numérique et analytique de la stabilité d'un écoulement incompressible de type jet tournant. L'entraînement du fluide externe par le jet est modélisé numériquement par l'hypothèse de frontières latérales et de sortie ouvertes, les conditions d'entrée correspondant à un profile de Grabowski. L'effet d'une faible viscosité dans le voisinage du nombre de swirl critique est étudié via une analyse asymptotique couplée à des simulations numériques axisymétriques. Un algorithme de continuation basé sur une méthode de projection récursive (RPM) a été implémenté pour capturer les états stationnaires et suivre ces branches de solutions dans l'espace de paramètres ainsi que leur stabilité. La continuation des solutions stationnaires vis-à-vis du paramètre de swirl montre l'existence d'une bifurcation pour les nombres de Reynolds assez grands. L'analyse asymptotique confirme ces résultats numériques. Le diagramme de bifurcation d'un jet tournant possédant une région de recirculation est déterminé dans le cas axisymétrique. Il est montré que l'état stationnaire subit une bifurcation de Hopf supercritique. Enfin, la stabilité globale tridimensionnelle d'un jet tournant avec une région de recirculation est étudiée numériquement par une méthode d'Arnoldi. L'état éclaté axisymétrique apparaît instable vis-à-vis de perturbations tridimensionnelles hélicoïdales. L'effet d'un gradient d'une pression extérieur sur le diagramme de bifurcation est étudié numériquement. Pour un nombre de Reynolds Re=1000, la branche colonnaire (solutions sans recirculation) existe dans le cas d'un gradient de pression favorable pour les grnads paramètres de swirl, mais disparaît quand le gradient de pression est zero. Ce résultat ouvre des perspectives pour une stratégie de contrôle pour retarder l'apparition de l'éclatement tourbillonnaire.