Étude expérimentale d'un jet plan turbulent se développant dans un flux uniforme en co-courant

par Jean Youssef

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides et thermique

Sous la direction de Eva Dorignac et de Johan Carlier.


  • Résumé

    Cette étude expérimentale porte sur la mesure et l'analyse du comportement d'un rideau d'air plan, vertical descendant, lorsqu'il se développe dans un flux uniforme en co-courant. Le rapport r entre la vitesse du cocourant et la vitesse du jet évolue dans la gamme [0; 0, 3] qui comprend le cas du jet plan classique sans co-courant (r = 0). La motivation de l'étude est, pour le laboratoire d'accueil de la thèse (Irstea de Rennes, équipe Aéraulique et Contrôle des Atmosphères Turbulentes), l'apport de connaissances précises sur les rideaux d'air séparateurs d'ambiance, en propreté et en température, pour la maîtrise des ambiances locales dans l'industrie agroalimentaire et plus largement dans le domaine de la sécurité sanitaire des aliments. Cette étude porte principalement sur le cas isotherme, sans différence de température entre le jet et le co-courant, les cas anisothermes étant seulement abordés en investigation réduite dans le dernier chapitre (chap. IV). L'analyse de la turbulence est au centre de cette étude. Elle est menée à partir des différentes grandeurs caractéristiques, dont les profils de tensions de Reynolds et les échelles turbulentes caractéristiques. Elle sous-tend également l'analyse des évolutions des grandeurs moyennes, en particulier l'expansion du profil de vitesse moyenne. Le principal moyen d'investigation expérimentale est l'anémométrie par fils chauds croisés à température constante (CTA). La Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) est utilisée dans le chapitre IV comme moyen insensible à la température, pour les études de cas anisothermes. Le rideau plan en co-courant a été mis en oeuvre dans une soufflerie verticale spécifique dont la veine d'essai a une hauteur utile de deux mètres (chap. II). L'étude s'appuie sur une analyse bibliographique (chap. I) centrée sur les équations de la turbulence appliquées aux jets plans. L'analyse du comportement dans le cas isotherme (chap. III) s'intéresse principalement à l'influence du rapport de vitesse r et du nombre de Reynolds. Un raisonnement mené sur le choix des variables d'adimensionnement pour décrire le comportement du jet amène à proposer un adimensionnement global, à la fois pour l'évolution de la vitesse moyenne sur l'axe, pour l'expansion de l'épaisseur du jet et pour l'évolution des fluctuations rms de vitesse. On obtient ainsi un modèle de comportement généralisable aux différentes valeurs de r pour les jets en co-courant, avec au passage une méthode intéressante pour évaluer par ce biais des caractéristiques du cas limite du jet plan sans co-courant. Les données complètes et précises obtenues par fils croisés permettent, en fin de chapitre III, de mener une description et analyse des échelles caractéristiques de la turbulence. Il apparaît que les échelles intégrales sont cohérentes avec le modèle proposé pour l'expansion du jet et que les échelles de Kolmogorov s'en déduisent ensuite par un recours à un rapport universel, fonction du nombre de Reynolds local.

  • Titre traduit

    Experimental study of a turbulent plane jet developing in a uniform co-flowing stream


  • Résumé

    This experimental study focuses on the measurement and analysis of the behaviour of a vertical, downwardblowing plane jet when it develops inside a uniform co-flowing stream. The ratio r between the velocities of the co-flow and the jet is considered in the range [0, 0. 3] which includes the case of the classical plane jet without co-flow (r = 0). The motivation of the study was to develop a specific knowledge on air curtains classically used for the control of cold and clean local environments in the food industry. This study focuses on the isothermal case, with no temperature difference between the jet and the co-flow, the non-isothermal cases being only introduced in the last chapter (Chapter IV) in view of further studies on the high Richardson number cases. The study is turbulence-oriented, with an analysis mainly based on quantities and properties related to turbulence, like the Reynolds stresses profiles and the characteristic scales. The analysis of the evolution of the mean quantities, in particular the expansion of the mean velocity profile, was conducted in relation with their dependence on turbulence. The main measurement technique used was ×-wire Hot Wire Anemometry operated in Constant Temperature mode (CTA). Particle Image Velocimetry (PIV) was used for the reduced investigations on non-isothermal cases, in Chapter IV, taking advantage of its insensitivity to temperature. The experiment was carried out in a specific vertical wind tunnel, the test section of which had an effective length of two meters (Chapter II). The initial literature review (Chapter I) highlights the specificities of plane jets as regards the mean and turbulent behavior. In (Chapter III), the isothermal case is studied with a special focus on the influence of the velocity ratio r and the Reynolds number. It is shown that choosing a global normalization to describe the behaviour of the jet leads to a generic model valid for the entire set of eleven different conditions investigated. The model appears to correctly account for the influence of the ratio r on the evolution of the mean velocity on the axis, the expansion of the thickness of the jet and the evolution of rms velocity fluctuations. The model gives, in addition, a means to assess, for r = 0, the characteristics of the limit case of a plane jet without co-flow. The thorough set of data obtained with ×-wires probes finally enables, at the end of chapter III, an analysis of the characteristic turbulence scales in that specific flow. It appears that the integral scales are in direct relation with the jet thickness and that the Kolmogorov scales are linked to the integral scales through a universal scale ratio depending on the local Reynolds number.

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  • Détails : 1 vol. (X-220 p.)
  • Annexes : Bibliographie 86 réf.

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