Structure interne d'un jet de gaz injecté perpendiculairement à une couche limite turbulente verticale d'eau

par Stéphane Pignoux

Thèse de doctorat en Aérodynamique, mécanique des fluides et énergétique

Sous la direction de Francis Roger.

Soutenue en 1998

à Poitiers .

mots clés

• Écoulement diphasique
• Écoulement -- Visualisation
• Vélocimétrie laser Doppler
• Capteurs optiques
• Couche limite turbulente

Résumé

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.

Titre traduit

Structure of a gas submerged in a liquid vertical turbulent wall boundary layer

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