Dynamique d'un jet rond impactant une paroi plane contraint par un forçage acoustique

Une étude expérimentale sur la dynamique d’un jet rond turbulent impactant une paroi plane a été menée pour un nombre de Reynolds de 28 000 et une distance d’impact de 5 diamètres. Le jet est excité par un haut-parleur sur une gamme de nombre de Strouhal allant de 0 à 1.5, permettant ainsi de modifier la structure dynamique du jet. Divers outils d’analyse (POD, moyenne de phase...) ont été appliqués afin d’observer l’influence du forçage acoustique sur les structures cohérentes de l’écoulement

Analyse fine des interactions entre fluctuations de vitesse et de température dans une couche de mélange

On s’intéresse au couplage vitesse-température au sein d’une couche de mélange anisotherme entre deux masses d’air de vitesses et de températures différentes telles que rencontrées dans les dispositifs de rideaux d'air séparateurs d'ambiance. Les mesures, basées sur une nouvelle technique d’anémométrie fil chaud, fil chaud unique à surchauffe variable, sont synchronisées et permettent une analyse fine des interactions entre vitesse et de température dans le mélange turbulent. Une analyse en quadrants confirme la prédominance, dans le flux de chaleur turbulent, des éjections aux points selles des régions inter-tourbillonnaires

Influence des conditions d'entrée/sortie pour un jet plan impactant une surface concave au milieu confiné

L'étude de l'influence des conditions d'entrée/sortie pour un jet plan impactant une surface concave au milieu confiné est présentée. L'écoulement est décrit à partir des champs moyens de vitesse et des valeurs turbulentes obtenues par vélocimétrie par imagerie de particules (PIV) classique ( 5000 champs). Les paramètres fixés de cette étude sont le nombre de Reynolds (Reb = 3200), la hauteur d'impact (H/b = 7) et la courbure relative (Dc/b = 5). Les résultats mettent clairement en évidence l'influence des conditions d'entrée/sortie pour un jet plan impactant une surface concave au milieu confiné. Le changement de condition de sortie (e passant de 0 à 10 mm) modifie fortement la structure du jet et la position moyenne du point d'impact. Du point de vue instationnaire cela se caractérise par un jet qui oscille fortement lorsque la sortie est libre alors que le jet se stabilise en position basse dans le cas d'une sortie obstruée

Etude du refroidissement par impact de jets à travers une paroi mince et avec un écoulement cisaillant amont (application aux aubes de turbines)

L'amélioration des performances et des rendements de turboréacteurs passe par l'augmentation de la température des gaz de la chambre de combustion. Les éléments en aval de la chambre de combustion sont soumis à de fortes contraintes thermiques. Ainsi, les aubes de turbines basse pression possèdent plusieurs systèmes de refroidissement dont l'impact de jet. Les cas d'études de cette technique sont simplifiés et contrastent avec les géométries complexes de l'application industrielle de l'impact de jets aux aubes de turbine. Nous nous sommes intéressés à une injection à travers une paroi fine et alimentée par un écoulement amont cisaillant, afin d'être plus proche du cas réel. Notre étude comprend trois parties se basant sur ce type d'injection, pour lesquelles nous avons cherché à déterminer expérimentalement les coefficients d'échange de chaleur convectif. La première partie comprend des mesures expérimentales de vitesse par PIV et de température par caméra infrarouge, pour une configuration de jet unique en impact sur une plaque plane. Cette partie est représentative de la zone intrados/extrados d'une aube de turbine. Dans un deuxième temps on s'intéresse à l'influence de la courbure sur les échanges de chaleur d'une rangée de jets sur une paroi concave, représentant la situation au bord d'attaque. Dans un dernier temps, nous nous sommes intéressés à une configuration plus complexe, un modèle simplifié et agrandi d'une aube basse pression formé d'une partie courbe refroidie par neuf orifices et de deux parties planes refroidies chacune par trois rangées de cinq trous. Les paramètres de l'étude sont notamment la distance d'impact et les nombres de Reynolds des jets et de l'écoulement cisaillant en amont de l'injection.The need to improve turbofan efficiency leads the engineers to increase the combustion gas temperature. Components such as turbine blades or vanes are exposed to high thermal stresses. Several cooling techniques are commonly used to maintain a temperature in the metal that not damage the vane. Internal jet impingement cooling is the method we studied in this thesis, with the intention to best reproduce the complex geometry of the industrial working case. This way, we considered an injection trough a thin plate feeded by an upstream cross flow. This study consists in three experiments based on this type of injection, and convective heat transfer coefficients are determined experimentally. In the first part, we present experimental results from velocity and temperature measurements of a single jet impinging on a flat plate. This configuration represents the heat transfer at the pressure/suction side of a vane. A second experiment deals with a row of five jets impinging on a concave surface to study the effects of impingement on a curved surface, as in the leading edge region. Finally, a more complex configuration has been studied. This consists in a large scale model of a turbine blade. It is compound by a curved part on which impinges a nine jets row, and by two flat parts on which impinge three rows of five jets. The main parameters of the study are the nozzle-to-wall spacing and the Reynolds numbers of the jets and the upstream cross flow.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Experimental aerothermal characterization of a pulsating jet issuing in a crossflow (influence of Strouhal number excitation on film cooling)

Le refroidissement par film froid consiste à refroidir une paroi en injectant un écoulement froid pour protéger celle-ci. Un banc d'essai simplifié d'une configuration d'étude de "film cooling" a été réalisé pour caractériser l'influence d'un écoulement chauffé et pulsé provenant d'un trou cylindrique incliné à 30 dans un écoulement principal thermiquement uniforme. Les taux de soufflage (M) étudiés sont égaux à 0,65, 1 et 1,25. Les pulsations ont été générées par un haut-parleur à des fréquences de pulsation adimensionnalisées (St) de 0, 0,2, 0,3 et 0,5. Les aspects aérodynamiques et thermiques de l'écoulement ont été étudiés, en utilisant des techniques de mesure avancées incluant la P.I.V. résolue en temps, la thermographie infrarouge, la vélocimétrie fil-chaud et la thermométrie fil-froid. Pour M = 0,65, sans pulsation, l'écoulement injecté couvre une partie importante de la paroi. Dans le cas pulsé, cette distribution optimale est considérablement dégradée quelque soit la fréquence de pulsation. Pour M =1 et 1,25, sans pulsation, on observe un décollement de l'écoulement qui dégrade la protection film de la paroi. Dans ces cas, la pulsation induit de grandes variations spatiales à la fois de la trajectoire, de l'éclatement du jet et du passage des structures turbulentes dans le sillage de jet à cause de la variation périodique du débit de jet. On a constaté que la pulsation améliore la protection de la paroi pour des excitations de basse fréquence pour des taux de soufflage important (M = 1 et 1,25).A test rig incorporating injection from a single cylindrical hole inclined at 30 to a thermally uniform mainstream flow was used to study the effects of injectant pulsation in film cooling configuration. The average blowing ratio (M) were 0.65, 1 and 1.25. The periodic variations in injectant flow were rendered by a loudspeaker based pulsation system to non-dimensionalized excitation frequency (St) of 0, 0.2, 0.3 and 0.5. Both aerodynamic and thermal aspects of the flow were studied, using the advanced measuring techniques incorporating the system of Time-resolved PIV, Infrared thermography, Hot wire and cold wire. Pulsation cases resulting in a close-wall orientation of injectant fluid compared to steady blowing bearing outward orientation were only observed in few cases. At M =0.65, jet fluid remains aligned and covers a significant part of the wall under steady blowing. However, under the cases of pulsation that optimum distribution of coolant is significantly compromised. At higher blowing ratios, the injectant lift-off degrades the film protection of the wall. Pulsation under these cases induces large spatial variations in the jet trajectory, collapsing of the jet body and the shedding of wake structures due to the periodic variation of injection flow rate. It was found that the pulsation improves wall coverage of the injectant fluid under low frequency excitation as the separation of the jet from the wall becomes evident (M =1 and 1.25).POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Étude expérimentale d'un jet plan turbulent se développant dans un flux uniforme en co-courant

Cette étude expérimentale porte sur la mesure et l'analyse du comportement d'un rideau d'air plan, vertical descendant, lorsqu'il se développe dans un flux uniforme en co-courant. Le rapport r entre la vitesse du cocourant et la vitesse du jet évolue dans la gamme [0; 0, 3] qui comprend le cas du jet plan classique sans co-courant (r = 0). La motivation de l'étude est, pour le laboratoire d'accueil de la thèse (Irstea de Rennes, équipe Aéraulique et Contrôle des Atmosphères Turbulentes), l'apport de connaissances précises sur les rideaux d'air séparateurs d'ambiance, en propreté et en température, pour la maîtrise des ambiances locales dans l'industrie agroalimentaire et plus largement dans le domaine de la sécurité sanitaire des aliments. Cette étude porte principalement sur le cas isotherme, sans différence de température entre le jet et le co-courant, les cas anisothermes étant seulement abordés en investigation réduite dans le dernier chapitre (chap. IV). L'analyse de la turbulence est au centre de cette étude. Elle est menée à partir des différentes grandeurs caractéristiques, dont les profils de tensions de Reynolds et les échelles turbulentes caractéristiques. Elle sous-tend également l'analyse des évolutions des grandeurs moyennes, en particulier l'expansion du profil de vitesse moyenne. Le principal moyen d'investigation expérimentale est l'anémométrie par fils chauds croisés à température constante (CTA). La Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) est utilisée dans le chapitre IV comme moyen insensible à la température, pour les études de cas anisothermes. Le rideau plan en co-courant a été mis en oeuvre dans une soufflerie verticale spécifique dont la veine d'essai a une hauteur utile de deux mètres (chap. II). L'étude s'appuie sur une analyse bibliographique (chap. I) centrée sur les équations de la turbulence appliquées aux jets plans. L'analyse du comportement dans le cas isotherme (chap. III) s'intéresse principalement à l'influence du rapport de vitesse r et du nombre de Reynolds. Un raisonnement mené sur le choix des variables d'adimensionnement pour décrire le comportement du jet amène à proposer un adimensionnement global, à la fois pour l'évolution de la vitesse moyenne sur l'axe, pour l'expansion de l'épaisseur du jet et pour l'évolution des fluctuations rms de vitesse. On obtient ainsi un modèle de comportement généralisable aux différentes valeurs de r pour les jets en co-courant, avec au passage une méthode intéressante pour évaluer par ce biais des caractéristiques du cas limite du jet plan sans co-courant. Les données complètes et précises obtenues par fils croisés permettent, en fin de chapitre III, de mener une description et analyse des échelles caractéristiques de la turbulence. Il apparaît que les échelles intégrales sont cohérentes avec le modèle proposé pour l'expansion du jet et que les échelles de Kolmogorov s'en déduisent ensuite par un recours à un rapport universel, fonction du nombre de Reynolds local.This experimental study focuses on the measurement and analysis of the behaviour of a vertical, downwardblowing plane jet when it develops inside a uniform co-flowing stream. The ratio r between the velocities of the co-flow and the jet is considered in the range [0, 0.3] which includes the case of the classical plane jet without co-flow (r = 0). The motivation of the study was to develop a specific knowledge on air curtains classically used for the control of cold and clean local environments in the food industry. This study focuses on the isothermal case, with no temperature difference between the jet and the co-flow, the non-isothermal cases being only introduced in the last chapter (Chapter IV) in view of further studies on the high Richardson number cases. The study is turbulence-oriented, with an analysis mainly based on quantities and properties related to turbulence, like the Reynolds stresses profiles and the characteristic scales. The analysis of the evolution of the mean quantities, in particular the expansion of the mean velocity profile, was conducted in relation with their dependence on turbulence. The main measurement technique used was .-wire Hot Wire Anemometry operated in Constant Temperature mode (CTA). Particle Image Velocimetry (PIV) was used for the reduced investigations on non-isothermal cases, in Chapter IV, taking advantage of its insensitivity to temperature. The experiment was carried out in a specific vertical wind tunnel, the test section of which had an effective length of two meters (Chapter II). The initial literature review (Chapter I) highlights the specificities of plane jets as regards the mean and turbulent behavior. In (Chapter III), the isothermal case is studied with a special focus on the influence of the velocity ratio r and the Reynolds number. It is shown that choosing a global normalization to describe the behaviour of the jet leads to a generic model valid for the entire set of eleven different conditions investigated. The model appears to correctly account for the influence of the ratio r on the evolution of the mean velocity on the axis, the expansion of the thickness of the jet and the evolution of rms velocity fluctuations. The model gives, in addition, a means to assess, for r = 0, the characteristics of the limit case of a plane jet without co-flow. The thorough set of data obtained with .-wires probes finally enables, at the end of chapter III, an analysis of the characteristic turbulence scales in that specific flow. It appears that the integral scales are in direct relation with the jet thickness and that the Kolmogorov scales are linked to the integral scales through a universal scale ratio depending on the local Reynolds number.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocPOITIERS-ENS Mécanique Aérot (860622301) / SudocSudocFranceF

Transferts thermiques convectifs dans le cadre de machines tournantes

Les machines tournantes répondent non seulement à des objectifs électriques mais également à des contraintes thermiques. Il s'agit, en effet, de respecter un échauffement autorisé. Un ventilateur monté en bout d arbre assure ainsi un écoulement de refroidissement. L'air emprunte trois circuits principaux : les canaux statoriques, les canaux rotoriques et l'entrefer. Le travail contribue ici à l'étude des échanges convectifs dans l entrefer et les canaux statoriques. Il s'inscrit dans l'investigation de l'entreprise Leroy Somer pour l'optimisation du refroidissement des alternateurs électriques. Un dispositif expérimental a été réalisé, il permet de confronter des mesures à des résultats numériques dans une configuration d'entrefer d'alternateur. Comparé au cas lisse, l'originalité vient de la géométrie du rotor avec ses quatre canaux inter-polaires. La thermographie infrarouge est utilisée afin de déterminer les coefficients d'échange convectif au rotor et au stator. Au rotor, les résultats expérimentaux montrent un comportement convectif proche d'une configuration d'entrefer lisse. Une étonnante décroissance des coefficients apparaît cependant pour des grandes vitesses de rotation. La présence d'une structure hélicoïdale dans les canaux inter-polaires intensifie les échanges sur leurs parois. Les transferts au stator semblent améliorés par un effet centrifuge engendré par la rotation des canaux inter-polaires. Que ce soit pour le rotor ou le stator, l'entrée de l'entrefer est favorisée pour les transferts convectifs. Les simulations ont une tendance générale à sous-estimer les échanges convectifs au rotor et à les surestimer au niveau du stator. En complément, une analyse paramétrique numérique a été menée afin d'évaluer le potentiel d'amélioration de la performance des canaux statoriques dotés de perturbateurs.Rotating machinery must respect both electrical aims and thermal constraints. They are to be in agreement with a limit temperature level. Therefore, a blower provides a cooling air flow. There are three main flow ways: statoric ducts, rotoric ducts and air-gap. The work deals with the convective heat transfer study of air-gap and statoric ducts. It is part of the Leroy Somer company researches on electric generator cooling efficiency. A tests bench was developed to perform comparison between experimental results and numerical results on an alternator air-gap case. Our air-gap case originality, compared with a smooth one, comes with the particular rotor geometry and its four inter-polar gaps. Infrared thermography is used to provide convective heat transfer coefficients on rotor and stator. The rotor experimental results show a behaviour close to a smooth air-gap one. However, it is surprising to obtain a convective heat transfer coefficient decreasing when the rotor speed becomes greater. Moreover, an helical structure development in inter-polar gaps intensifies convective heat transfers. Stator heat transfers seem improved thanks to a centrifugal effect provided by the ducts-between-poles rotation. The air-gap entrance is the best convective heat transfer zone for both rotor and stator walls. The numerical results have a general tendency to underestimate convective heat transfer coefficients on rotor and to overestimate them on stator. To supplement the study, a parametric analysis is carried out to assess the efficiency improvement capacity of statoric ducts with ribs.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Etude des échanges convectifs le long d'une paroi à multiperforation inclinée (application au refroidissement des parois des chambres de combustion)

Une des méthodes utilisées pour le refroidissement des composants du turboréacteur est la multiperforation, elle consiste en une injection d'air froid à travers des orifices le long des parois. Notre travail consiste en une étude expérimentale sur une plaque plane à plusieurs rangées de trous, permettant l'injection d'air suivant un angle de 30ʿ. Deux études thermique et aérodynamique, ont permis de suivre la formation de la couche de refroidissement en fonction du taux d'injection et de l'ouverture successive des rangées. Différents cas thermiques permettent la modélisation des échanges convectifs. Deux modèles basés sur la superposition de deux échanges de chaleur conduisent à la détermination de deux couples de coefficients d'échange, un troisième modèle propose une formulation de la convection à travers un coefficient d'échange et une température de référence. L'analyse des variations de ces couples confirme les résultats acquis dans le fluide, sur la couche de refroidissement.The cooling of the components of the turbojet is achieved through several methods such as multiperforation, consisting of cool air injection through holes along the wall. Our work consists of an experimental study on a flate plate with several rows of holes, which allow the air injection at an angle of 30ʿ. Thermic and an aerodynamic studies enabled us to follow the development of the cooling layer in relation to the injection rate and the opening of the rows. Different thermal cases allow us to model the convective exchanges. Two models are based on the superposition of two heat exchanges lead to the determination of two heat transfer coefficient couples, a third model offers formulation of the convection through a heat transfer coefficient and a reference temperature. The analysis of the variation of these pairs confirms the results obtained in the fluid concerning the development of the cooling layer.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Etude des échanges convectifs en espace confiné le long d'une paroi multiperforée. Application au refroidissement des parois des chambres de combustion

POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

A heat transfer measurement of jet impingement with high injection temperature

Local heat transfer from an impinging high temperature jet is studied using a method based on the heat thin foil technique and on the infrared thermography. Heat thin foil technique is used to impose several heat fluxes. For each flux, the temperature distribution is recorded using infrared imaging. Local heat transfer coefficients and adiabatic wall temperatures are determined by means of a linear regression method. This procedure is validated for a single round jet impinging on a flat plate for a range of injection temperatures. To cite this article: M. fénot et al, C. R. Mecanique 333 (2005