Analyse des structures des écoulements et des instabilités développées par un rideau d'air cisaillé latéralement par un courant externe : application au cas des meubles frigorifiques de vente

Analysis of flow structures and instabilities developed by and air curtain sheared laterally by an external stream : application to the case of refrigerated display cabinets

• Auteur / Autrice : Ahmed Kaffel
• Direction : Jean-Luc Harion, Jean Moureh, Serge Russeil
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 16/02/2017
• Etablissement(s) : Valenciennes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IMT Nord Europe (2017-....) - Génie des procédés frigorifiques pour la sécurité alimentaire et l'environnement (Antony, Hauts-de-seine ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Communauté d'Universités et Etablissements (ComUE) : Communauté d'universités et d'établissements Lille Nord de France (2009-2013)
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Polidori
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Harion, Jean Moureh, Serge Russeil, Camille Solliec, Graciela Alvarez, Dominique Couton
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Polidori, Camille Solliec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réfrigération et appareils frigorifiques

Vélocimétrie laser Doppler

Jets pariétaux

Mots clés libres

Jet pariétal

Rideau d’air

Jet perturbé

Instabilités de Kelvin-Helmholtz

Structures cohérentes

Meuble frigorifique de vente

Tr-Piv

Pod

Plane wall jet

Air curtain

Perturbed jet

Kelvin-Helmholtz instabilities

Coherent structures

Refrigerated display cabinet

Tr-Piv

Pod

Résumé

Dans cette étude, le comportement aérodynamique du jet pariétal (Re = 8000) cisaillé latéralement par un courant de perturbation externe (ELS) de profil de vitesse uniforme (Ulf) a été étudié et analysé. Les expérimentations ont été réalisées par PIV et LDV sur une maquette aéraulique isotherme à échelle réduite d’un meuble frigorifique de vente. L’étude est centrée sur la région du jet située à proximité de la section de soufflage (x/e < 10) qui correspond à la zone dans laquelle se développent les instabilités et le processus de transition vers la turbulence. L’analyse des résultats obtenus avec et sans perturbation a mis en évidence que la perturbation entraîne une diminution significative du pouvoir d’entraînement du jet, une forte décroissance de la vitesse moyenne maximale, un faible épanouissement du jet et une augmentation globale des valeurs des moments d’ordre deux de toutes les composantes des contraintes de Reynolds. L’analyse par PIV résolue en temps (10 kHz) montre une topologie déformée et allongée des structures de Kelvin-Helmholtz (K-H) pour (Ulf = 0,5 ms-1) et détachée pour (Ulf = 1 ms-1). Les résultats de l’interaction mutuelle ente les couches interne et externe indiquent que le courant ELS brise partiellement le mécanisme de formation des dipôles de vortex qui deviennent irréguliers et moins prédictifs, ce qui conduit à l’allongement de la zone de transition et retarde donc l’apparition de la zone auto-similaire du jet. D’après la technique POD, l’ELS engendre une redistribution énergétique entre les modes. Le courant ELS affecte également les instabilités K-H en perturbant leur organisation bidimensionnelle, leur topologie, leur alignement et leur fréquence de passage mettant en évidence l’effet inhibiteur exercé sur le développement des structures primaires. Les corrélations spatiales Rvv reflètent la diminution des échelles de longueur dans le cas d’un jet perturbé.

In this study, the aerodynamic behavior of the plane wall jet (Re = 8000) sheared laterally by an external lateral stream (ELS) of a uniform velocity profile (Ulf) was studied and analyzed. The experiments were carried out by PIV and LDV on a reduced-scale isothermal aeraulic model of a refrigerated display cabinet. The study focuses on the near-field region of the jet (x / e <10) which corresponds to the zone of transition to turbulence and onset and development of instabilities. The results obtained with and without perturbation showed a significant decrease in the entrainment rate, a strong decrease in the maximum velocity decay rate, a lower jet expansion and an overall increase in the values of second order moments of the Reynolds stress components. The time-resolved PIV analysis (10 kHz) shows a distorted and elongated topology of the Kelvin-Helmholtz (K-H) structures for (Ulf = 0,5 ms-1) and a detached topology for (Ulf = 1 ms-1). The results of the mutual interaction between the inner and outer layers indicate that the ELS partially breaks the vortex dipole formation mechanism which becomes irregular and less predictive, leading to the elongation of the transitional region and a lag effect in the beginning of the self-similarity region. POD technique reveals the role of the ELS in redistributing energy between the modes. The ELS also affects the K-H instabilities by disrupting their two-dimensional organization, topology, alignment and shedding frequency, highlighting the inhibitory effect exerted on the development of primary structures. The spatial correlations Rvv reflect the decrease of the length scales in the case of a perturbed jet.