Experimental study of underexpanded round jets : nozzle lip thickness effects and screech closure mechanisms investigation

par Thiago Lima de Assunção

Thèse de doctorat en Mécanique des milieux fluides et acoustique

Sous la direction de Yves Gervais et de Stève Girard.

Soutenue le 20-12-2018

à Poitiers , dans le cadre de École doctorale Sciences et Ingénierie des Matériaux, Mécanique, Energétique et Aéronautique (Poitiers ; 2009-2018) , en partenariat avec Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers) (laboratoire) , École nationale supérieure d'ingénieurs (Poitiers) (faculte) et de Institut Pprime / PPRIME (laboratoire) .

Le président du jury était Éric Goncalves.

Le jury était composé de Yves Gervais, Peter Jordan, Christophe Schram, Daniel Edgington-Mitchell, Vincent Jaunet.

Les rapporteurs étaient Stéphane Barre, Estelle Piot.

mots clés

• Screech
• Jets sous détendu
• Mécanisme de fermeture.
• Turbulence
• Tuyères supersoniques
• Aérodynamique supersonique
• Air -- Écoulement

Titre traduit

Étude expérimentale de jets supersoniques sous-détendus : effets d'épaisseur de lèvre de la tuyère et mécanisme de fermeture du screech

Résumé

Cette thèse est une contribution expérimentale à l’étude des résonances aéroacoustiques des jets sous-détendus : le Screech. Diverses méthodes expérimentales sont utilisées à ces fins, telles que la mesure de pression acoustique, la strioscopie et Vélocimétrie par Image des Particules, et associées à des techniques classiques de post-traitement comme les décompositions en mode de Fourier et aux valeurs propres. Ces Techniques permettent d’évaluer les effets d’épaisseur de la lèvre de la buse sur l’écoulement, et fournissent des informations sur les différences de comportement d’un même jet montrant des modes oscillatoires différents. Enfin, on entreprend d’étudier la présence de divers mécanismes de fermeture de la boucle de résonance pour divers modes de screech. La présence d’ondes intrinsèques du jet, se propageant vers l’aval pour les modes axisymétrique (A2) et hélicoïdal (C) suggèrent que ces ondes puissent jouer un rôle dans la résonance. La signature de ces ondes n’est en revanche pas attestée pour les modes battants (B). Ces résultats semblent donc indiquer que plusieurs mécanismes de rétroaction différents puissent être à l’oeuvre dans la résonance du jet sous-détendus.

mots clés

• Screech
• Underexpanded jets
• Closure mechanism.

Résumé

This work provides an experimental contribution to the study of the Screech phenomenon. Various experimental techniques such as microphones array, Schlieren and Particle Image Velocimetry (PIV) together with advanced post-processing techniques like azimuthal Fourier decomposition and Proper Orthogonal Decomposition (POD) are employed. These techniques enable the evaluation of the lip thickness effects on the jets generated by two different round nozzles. The differences on the flow aerodynamics and acoustics are discussed. Then, we carry out experiments to analyse the effects of the different dominant Screech modes (B and C) on the flow characteristics. No noticeable differences are found in the mean fields. However, the fluctuation fields shows the contrary: B mode has larger fluctuation. In the last part, we investigate the Screech closure mechanism. The signature of upstream jet waves is revealed in the axisymmetric (A2) and helical (C) mode. However, the mode B does not present evidence of this instability in the flow, indicating that its closure mechanism may be bonded to another kind of waves. The conclusion from the results is that the Screech phenomenon seems be driven by different closure mechanisms.