Étude expérimentale d'une injection turbulente : application au jet impactant une surface libre

Experimental study of a turbulent injection : application to a jet impinging on a free surface

• Auteur / Autrice : Nicolas Rivière
• Direction : Jean-Paul Caltagirone
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences physiques et de l'ingénieur. Mécanique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Bordeaux 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Jets -- Fluides, Dynamique des

Turbulence

Résumé

L'objectif de ce travail est de contribuer à la compréhension de l’interaction turbulence/interface lors de l’impact perpendiculaire d’un jet d’eau vertical ascendant sur une surface libre eau/air. La démarche a consisté tout d’abord à mettre en place un moyen expérimental pour produire une injection turbulente et mesurer ses caractéristiques. Un moyen d'essais modulaire a été conçu, mis en place et instrumenté. Le dispositif mis en œuvre utilise des techniques optiques permettant de mesurer les caractéristiques de la turbulence et du mélange dans un écoulement de jet turbulent (PIV/LIF/Ombroscopie synchronisées). Ces techniques ainsi que les traitements spécifiques associés sont présentées dans le détail. Le dispositif de mesure a permis de caractériser l’injection turbulente produite, en termes de vitesse, de turbulence et de mélange. Le profil de vitesse atteint un comportement autosimilaire, avec des valeurs pour les constantes d’autosimilarité en accord avec la littérature sur les jets libres. L’étude de l’interaction turbulence/interface a été menée par comparaison de différentes configurations d’écoulement (impact sur paroi rigide ou sur surface libre). L’analyse de la région de jet libre fait apparaître que le développement axial et radial du jet est identique quel que soit le type d’impact, que ce soit en termes de vitesse ou de mélange. En revanche, dans la région d’impact, les comportements diffèrent, et le mélange est favorisé par la présence de l’interface fluctuante. Les résultats expérimentaux obtenus en présence d’un léger confinement latéral ont été comparés à des simulations numériques (LES).

In order to study turbulence/interface interaction, a vertical water jet impinging on an air/water free surface has been investigated. First an experimental facility has been designed to produce a turbulent injection and measure its turbulent characteristics. Various synchronized measurements of turbulent and mixing quantities were performed thanks to optical techniques (combined PIV/LIF/Shadowgraph imaging). Statistical data on mean and fluctuating velocity and concentration fields have been obtained to get a better understanding of turbulent mixing in the turbulent jet. Velocity profiles reach self-similar behaviour and a good agreement is found with free jets literature. Turbulence/interface interaction has been investigated by comparing different flow configurations: solid wall and free surface impingement. The self similar region features the same characteristics in both impingement cases for velocity and scalar quantities, indicating that nature of impingement has no significant effect on the development of the jet in both axial and radial direction. In the impinging region the curves deviate significantly, revealing the influence of both impingement and deformation of the free surface. Experimental results obtained in the case of lateral confinement were also compared to numerical simulations (LES)