Étude de la turbulence et du scalaire passif dans un jet rond libre légèrement chauffé

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2014-2015Cette thèse présente une étude de la turbulence et du scalaire passif dans la zone autosimilaire d’un jet rond libre faiblement chauffé, caractérisé par un haut nombre de Reynolds ([symbol]). D’abord, une analyse des limitations des sondes à fils chauds croisés stationnaires basée sur des mesures LDV est présentée. Celle-ci met en évidence l’importance des événements de vitesse à grands angles d’incidence dans les valeurs mesurées. Ensuite, la turbulence et la chaleur employée comme scalaire passif dans le jet sont étudiées à l’aide du LDV, de la thermométrie à fil froid et d’une combinaison de ces deux méthodes. On mesure ainsi les distributions radiales des valeurs moyennes et des moments de vitesse, de température et de leurs corrélations croisées. Ces statistiques incluent notamment [symbol]. Ces mesures sont caractérisées par un contrôle précis des conditions aux limites et une grande convergence statistique. On remarque un bon accord entres les valeurs mesurées de [symbol] , [symbol] ainsi que [symbol] et leur expressions analytiques, dérivées des équations de continuité, du mouvement moyen et d’enthalpie, respectivement. Les bilans de transports de l’énergie cinétique turbulente (k), du scalaire passif ([symbol] ) ainsi que des flux de chaleur turbulents [symbol] sont ensuite établis, dans le même écoulement de jet rond faiblement chauffé. Pour le bilan de k, le modèle proposé par Lumley (1978) est employé pour représenter les termes de diffusion de pression. Pour les deux bilans, l’intégration à zéro sur un volume de contrôle des termes de diffusion est vérifiée et la portée de ce critère de validité est analysée. Aussi, les restes des deux bilans constituent leurs termes de dissipation respectifs, ek et eq . Dans le cas de ek, le modèle prédictif mis de l’avant par Thiesset et al (2014) ainsi qu’une analyse originale des bases de données de Panchapakesan & Lumley (1993a) et de Hussein et al (1994) laisse entrevoir une possibilité de réconciliation en ce qui a trait aux résultats produits par ces deux expériences réputées. Les budgets des composantes du tenseur de Reynolds ([symbol] ) sont aussi établis et analysés. La valeur de eq sur l’axe du jet est employée comme référence dans une étude exhaustive des techniques de mesures directes de ce taux de dissipation. Cette étude expose clairement les difficultés de ces mesures, notamment par des analyses spectrales. Les données amassées permettent d’établir les distributions radiales de paramètres d’intérêt pour la modélisation, tels que la viscosité tourbillonnaire ([symbol] ), la diffusivité tourbillonnaire ([symbol] ) et le nombre de Prandtl turbulent ([symbol] ). L’assomption de [symbol] constant est examinée. Le ratio entre les échelles de temps de dissipation de température et d’énergie cinétique turbulente (R) est aussi calculé et analysé.This thesis presents a study of the turbulence generated by a slightly heated turbulent round jet, evolving in still air. The study focuses on the self-preserving region of the high Reynolds number jet ([symbol] ). The jet is heated to only 20°C above ambient, so that temperature is treated as a passive scalar. In the first chapter of the thesis, a new and novel analysis of the stationary crossed hot wire probes based on unbiased LDV data is exposed, thus revealing the importance of the wide incidence angle events on the measured values. LDV, cold wire thermometry and a combination of both methods is used to study the slightly heated jet. Radial distributions of mean velocities and heating level, second and third order moments of fluctuating velocity and temperature ([symbol]) along with cross correlations, such as [symbol] are made available. During data acquisition, great attention was devoted to the close control of boundary conditions and statistical convergence. The measured values of V, uv as well as vq are in good agreement with their analytical expressions, provided by continuity, mean momentum and enthalpy equations, respectively. The transport budgets for the turbulent kinetic energy, ([symbol] ), passive scalar ([symbol] ), and temperature turbulent fluxes ([symbol] ) are then established using the data acquired in the very same, slightly heated, jet flow. The model introduced by Lumley (1978) for the pressure diffusion, is used as a surrogate for this term, in the case of the k budget. The integration to zero of the diffusion terms of both budgets over a control volume is verified. The significance of this validity criterion is analysed. The remainders of both budgets, are their respective dissipation terms, ek and eq . In the case of ek, the predictive model recently put forward by Thiesset et al (2014) along with a novel treatment of the databases of Panchapakesan & Lumley (1993a) and Hussein et al (1994), may help bring the outcome of the two famous experiments to a reconciliation. The Reynolds stress tensor component budgets were also established, leading to an analysis of the importance of the redistribution terms. The [symbol] value provided by the [symbol] budget is used as a reference in an exhaustive study of the means of dissipation measurement, on the centerline of the jet. This study reveals the shortcoming of the direct measurements of eq , namely thought spectral analysis. Radial distributions of turbulence modeling parameters, such as turbulent momentum viscosity ([symbol] ), turbulent thermal diffusivity ([symbol] ) and turbulent Prandtl number ([symbol] ) were established. The assumption of a constant PrT is scrutinized. The radial distribution of the thermal-to-mechanical timescale ratio (R) is calculated and analysed

Self-similarity in Slightly Heated Annular Jet with Large Diameter Ratios

International audienceThe study aims at furthering our understanding and quantifying the influence of coherent structures on small-scale turbulence and passive scalar mixing, in an annular jet configuration with large diameter ratios. This ’bluff-body’ geometry is close to that widely used in combustion for flame stabilization [1]. A passive contaminant is introduced in the flow, through a slight heating. We report the evolution along the jet axis of the following quantities: mean values of the longitudinal velocity and passive scalar ( U¯ and Θ¯ ), as well as the energy and scalar dissipation rates ( ε¯ and χ¯ ). It is shown that these statistics: decay as x−1 and x−4 , where x is the streamwise direction, similarly to the decay in the far-field of classical jets (CJ);unlike the CJ, they reach self-similarity faster, a behaviour that may be attributed to the presence of coherent structures

Self-similarity in Slightly Heated Annular Jet with Large Diameter Ratios

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