Etude des instabilités d'un jet plan à masse volumique variable

Study of the instabilities of a variable density plane jet

• Auteur / Autrice : Stéphane Ravier
• Direction : Fabien Anselmet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 2
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université d'Aix-Marseille II. Faculté des sciences (1969-2011)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Jets

Simulation par ordinateur

Résumé

L'influence de la variation de masse volumique pour le développement des instabilités primaires d'un jet plan est étudiée par simulation numérique directe des équations de Navier-Stokes incompressibles. Chaque méthode numérique retenue ainsi que la construction du programme sont détaillées pas à pas en insistant particulièrement sur le choix des conditions aux limites. La méthode est validée par une étude linéaire qui présente des résultats pour une large gamme de valeurs du rapport de densité. À partir de ce code non linéaire, on étudie la transition convective/absolue subie par le mode variqueux lorsque le rapport de densité diminue pour différents profils dont le Bickley et le presque top-hat. Une remise en cause du critère de stabilité marginale est proposée. En outre, l'observation inattendue de modes globaux amortis pour les rapports de densité voisins de 1 dans le cas d'un profil presque top-hat nous conduit à proposer une hypothèse en étudiant l'équation analytique implicite qui définit la relation de dispersion du mode variqueux pour un profil top-hat. Une courte étude expérimentale dans laquelle on présente les différentes techniques employées, ainsi que les premières mesures de vitesse et de densité, complète ce travail, en donnant des informations sur les fréquences caractéristiques.

We study the influence of density variation on the development of primary instabilities of a plane jet by direct numerical simulation of the incompressible Navier-Stokes equations. Each numerical method and the structure of the program are presented in detail with a special focus on the way boundary conditions are set. To validate the overall numerical simulation, we develop a linear analysis which provides results for a wide range of density ratio. Thanks to our non linear code, we study the convective/absolute transition of the varicose mode when density is decreased for several profiles, including Bickley and top-hat like, and prove that the linear marginal stability criterion is not sufficient to explain the observed dynamics of the jet. For a top-hat like profile and values of the density ratio close to unity, we observe dumped global modes. An hypothesis is proposed to explain this phenomenon. A short experimental study ends this work: we insist on the used methods and give information about the characteristic frequencies of the jet deduced from velocity and density measurements.