Etude numérique, expérimentale et théorique de l'influence de l'effusion sur la dynamique et la thermique de l'écoulement autour d'un cylindre circulaire poreux

par Lionel Mathelin

Thèse de doctorat en Énergétique et thermique

Sous la direction de André Lallemand et de Françoise Bataille.


  • Résumé

    Ce travail concerne l'étude numérique et expérimentale de l'écoulement et des transferts de chaleur autour d'un cylindre circulaire poreux en écoulement croisé, soumis à de l'effusion non-isotherme (écoulement interne). Les régimes d'écoulement sont stationnaires et instationnaires, laminaires et turbulents. Deux modèles d'effusion sont proposés. Les manipulations expérimentales permettent de valider les simulations numériques et les modèles d'effusion. En particulier, l'anémométrie à fils chauds et fil froid permet de comparer les profils de vitesse et de température avec les simulations numériques. Un bon accord est constaté. Un couplage écoulement interne à la matrice poreuse / écoulement externe au cylindre est réalisé sous la forme d'une fonction externe au code numérique, prenant en compte les transferts radiatifs afin de déterminer la température de paroi à l'équilibre. Les performances de l'injection de liquide (transpiration) sont expérimentalement évaluées avec de l'eau et de l'éthanol et montrent une excellente efficacité du procédé. Enfin, l'influence de l'effusion sur les instabilités est étudiée. Il est constaté que l'effusion fait baisser la fréquence de détachement des tourbillons primaires et secondaires et modifie la structure de la couche de cisaillement. En présence d'effusion, une série de pics supplémentaires apparaît. En utilisant la théorie de stabilité linéaire, il est montré que les taux de croissance sont significativement affectés par l'effusion et que la structure du sillage proche, et notamment la zone absolument instable, est modifiée. Enfin, des simulations numériques 3-D ont permis de conclure que l'effusion réduit les phénomènes tridimensionnels.

  • Titre traduit

    = Numerical, experimental and theorical study of the blowing influence on the dynamics and the thermal behavior of the flow past a porous circular cylinder


  • Résumé

    This work is concerned about the numerical and experimental study of the flow and heat transfer over a porous circular cylinder in cross-flow submitted to non-isothermal blowing (internal flow). Flow regimes are steady and unsteady, laminar and turbulent. Two blowing models are proposed. The experiments allow for numerical simulation and blowing models validation. In particular, using hot- and cold-wire anemometry, velocity and temperature profiles are compared with numerical simulations. A coupling between internal flow within the porous matrix and external flow over the cylinder is achieved, in the form of an user defined function of the code accounting for radiative heat transfer, to determine the equilibrium wall temperature. Performances of liquid injection (transpiration cooling) are experimentally evaluated with water and ethanol and prove excellent thermal protection effectiveness of the process. Moreover, the blowing influence on instabilities influence on instabilities is studied. It is seen that the blowing lowers the primary and secondary vortex shedding frequency and modifies the shear layer structure. In case of blowing, a series of peaks appears. Using the linear stability theory, it is shown that growth rates are significantly affected by blowing and that the near wake structure, and the absolutely convective zone in particular, is modified. Finally, performed 3-D numerical simulations lead to the conclusion that blowing reduces tri-dimensional effects.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (286 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 221-243

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(2529)
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