Contribution expérimentale à l'aérothermique d'un jet en impact forcé acoustiquement

Experimental contribution to the aerodynamic and thermal characteristics of an acoustically forced impinging jet

• Auteur / Autrice : Stéphane Roux
• Direction : Laurent-Emmanuel Brizzi, Eva Dorignac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides - Thermique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Poitiers

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermographie

Mesures optiques

Chaleur -- Convection

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Aérodynamique

Résumé

Une étude expérimentale aérodynamique et thermique de l'impact d'un jet rond unique sur une paroi plane a été menée. Un haut-parleur permet de moduler la vitesse du jet en sortie de buse. Des mesures de vitesse par PIV montrent que le forçage amplifie les structures tourbillonnaires dans la couche de mélange du jet. Selon le forçage, ces tourbillons peuvent être très stables ou donner lieu à des interactions régulières entre tourbillons. Des décompositions triples de vitesse montrent que les contributions moyennes, cohérentes et stochastiques de l'écoulement peuvent être adaptées en fonction de la fréquence et de l'amplitude du forçage acoustique. Les fluctuations de pression associées à ces tourbillons sur la plaque d'impact ont été mesurées et évaluées à l'aide d'un formalisme intégral pour la pression. Les transferts de chaleur moyens par convection entre le jet et la paroi d'impact révèlent deux principaux effets du forçage acoustique sur les variations radiales du nombre de Nusselt pour une petite distance d'impact. L'effet de l'impact du cône potentiel du jet sur la paroi disparaît lorsque le forçage acoustique conduit à une augmentation importante des niveaux de turbulence sur l'axe du jet. Le lobe secondaire de transferts de chaleur est déplacé et atténué par le forçage acoustique. Des mesures de températures pariétales fluctuantes mettent en évidence deux modes de propagation des fluctuations de température sur la plaque d'impact. Le premier est indépendant du forçage acoustique et correspond à une propagation filamentaire. Le second est lié à la convection des tourbillons sur la plaque d'impact, et correspond à la propagation radiale de fronts chauds et froids.

An experimental study of a single round jet impinging on a flat wall has been conducted. A loudspeaker can adjust the velocity of the jet at the nozzle outlet. Velocity measurements using PIV show that the acoustic forcing amplifies the vortex structures in the shear layer of the jet. These eddies can be very stable or be subject to regular interactions between vortices. Triple decompositions of velocity fields show that the mean, coherent and stochastic contributions can be adjusted depending on the acoustic forcing frequency and amplitude. Wall pressure fluctuations associated with these vortices were measured and evaluated using an integral formalism for the pressure. The measurements of mean convection heat transfer between the jet and the wall reveal two main effects of acoustic forcing on the radial variations of Nusselt number for small orifice-to-plate distances. The effect of the potential core impingement on the wall disappears when the acoustic forcing leads to a significant increase of turbulence levels on the jet axis. The secondary peak of heat transfer is displaced and attenuated by the acoustic forcing. Fluctuating wall temperatures measurements reveal two modes of propagation of temperature fluctuations on the impingement plate. The first does not depend on the forcing and corresponds to a filament propagation. The second propagation mode is related to the vortices which are convected on the impingement plate, and corresponds to the radial spread of cold and warm fronts.