Phénoménologie du mélange de scalaire passifs en écoulements isotropes et anisotropes axisymétriques. Interaction mouvement cohérent-turbulence

par Arezki Bouha

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides, Energétique

Sous la direction de Luminita Danaila et de Béatrice Patte-Rouland.

Soutenue en 2016

à Rouen , dans le cadre de École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime....-2016) , en partenariat avec Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....) (laboratoire) .

Les rapporteurs étaient Amina Meslem, Philippe Lavoie.

mots clés

• Dynamique des fluides
• Turbulence
• Écoulement polyphasique
• Énergie
• Mélange

Résumé

Les jets annulaires sont largement rencontrés dans une multitude d'applications industrielles. On leur reconnaît l’habilité de mélanger l’écoulement de sortie et l’ambiant à partir de courtes distances en aval de la sortie du jet. L’objectif est la caractérisation phénoménologique du mélange turbulent de scalaire passif dans ce type d’écoulement. Les expérimentations réalisées, comprennent des couples de mesures simultanées à fil chaud/fil froid et PIV/PLIF. Cette étude met en évidence le rôle des structures cohérentes (SC) qui y sont créées dans l'établissement d'un écoulement auto-similaire. Pour ce faire, nous nous intéresserons aux transports de variance de scalaire et d'énergie cinétique. Le bilan de variance de scalaire à chaque échelle r est établi analytiquement en se basant sur l'auto-similitude des fonctions de structures, normalisées par des paramètres appropriés. Ce bilan permet de prendre en compte les effets des Reynolds finis, mais surtout réduit la complexité de l'évaluation du transfert non-linéaire des fluctuations de scalaire. L'énergie cinétique transférée à chaque échelle est modélisée en tenant compte d'un temps caractéristique qui résulte d'un étirement particulier. Invoquant une décomposition triple, les contributions du mouvement cohérent et aléatoire sont considérées séparément. Leur interaction est évaluée en tenant compte d'un bilan de fluctuations, moyenné en temps et en phase. Il y est démontré un accroissement du transfert d'énergie cinétique et de variance de scalaire sous l'effet des SC.

Résumé

Annular jets (hereafter AJ) are widely used in industrial processes. They are known for their ability to mix inlet flow with the ambient on relatively short distances compared to standard jets. The attempt is to assess the turbulent mixing of a passive scalar in AJ flows. The flow is experimentally investigated through simultaneous Hot/Cold wires and PIV/PLIF measurements. It is well recognized that ’bluff-body’-type geometry leads to coherent structures (CS) in the AJ flows. The aim of this research is to understand and quantify the exact influence of Coherent Structures (CS) on small-scale turbulence (Random Scales, RS), in particular for the transfer of a passive scalar fluctuations and kinetic energy at each scale r. Scale-by-scale energy budget equation for the scalar variance is established analytically along the jet axis, based on the self-similarity of the structures functions. We assess the appropriate normalization parameters for the similarity of the scalar structures functions to be valid. Invoking the triple decomposition, the contribution of CS (based on the specific Strouhal of the CS) and RS are considered separately, for either the instantaneous signal, or the one-point energy, or the two-point energy. Their interaction is investigated using phase-and time-averaged scale-by-scale energy. It is shown that this interaction becomes more perceptible at low Reynolds numbers. It is most likely that that this departure is more enhanced for small scales of the scalar than those of the kinetic energy.