Multi-Scale Turbulence Injector: a new tool to generate intense homogeneous and isotropic turbulence for premixed combustion

Nearly homogeneous and isotropic, highly turbulent flow, generated by an original multi-scale injector is experimentally studied. This multi-scale injector is made of three perforated plates shifted in space such that the diameter of their holes and their blockage ratio increase with the downstream distance. The Multi-Scale Turbulence Injector (hereafter, MuSTI) is compared with a Mono-Scale Turbulence Injector (MoSTI), the latter being constituted by only the last plate of MuSTI. This comparison is done for both cold and reactive flows. For the cold flow, it is shown that, in comparison with the classical mono-scale injector, for the MuSTI injector: (i) the turbulent kinetic energy is roughly twice larger, and the kinetic energy supply is distributed over the whole range of scales. This is emphasized by second and third order structure functions. (ii) the transverse fluxes of momentum and energy are enhanced, (iii) the homogeneity and isotropy are reached earlier ($\approx 50$%), (iv) the jet merging distance is the relevant scaling length-scale of the turbulent flow, (v) high turbulence intensity ($\approx 15$%) is achieved in the homogeneous and isotropic region, although the Reynolds number based on the Taylor microscale remains moderate ($Re_\lambda \approx 80$). In a second part, the interaction between the multi-scale generated turbulence and the premixed flame front is investigated by laser tomography. A lean V-shaped methane/air flame is stabilised on a heated rod in the homogeneous and isotropic region of the turbulent flow. The main observation is that the flame wrinkling is hugely amplified with the multi-scale generated injector, as testified by the increase of the flame brush thickness.Comment: 29 pages, 21 figures, submitted to Journal of Turbulenc

On the self-similarity of line segments in decaying homogeneous isotropic turbulence

The self-similarity of a passive scalar in homogeneous isotropic decaying turbulence is investigated by the method of line segments (M. Gauding et al., Physics of Fluids 27.9 (2015): 095102). The analysis is based on a highly resolved direct numerical simulation of decaying turbulence. The method of line segments is used to perform a decomposition of the scalar field into smaller sub-units based on the extremal points of the scalar along a straight line. These sub-units (the so-called line segments) are parameterized by their length $\ell$ and the difference $\Delta\phi$ of the scalar field between the ending points. Line segments can be understood as thin local convective-diffusive structures in which diffusive processes are enhanced by compressive strain. From DNS, it is shown that the marginal distribution function of the length~$\ell$ assumes complete self-similarity when re-scaled by the mean length $\ell_m$. The joint statistics of $\Delta\phi$ and $\ell$, from which the local gradient $g=\Delta\phi/\ell$ can be defined, play an important role in understanding the turbulence mixing and flow structure. Large values of $g$ occur at a small but finite length scale. Statistics of $g$ are characterized by rare but strong deviations that exceed the standard deviation by more than one order of magnitude. It is shown that these events break complete self-similarity of line segments, which confirms the standard paradigm of turbulence that intense events (which are known as internal intermittency) are not self-similar

Quantum turbulence simulations using the Gross-Pitaevskii equation: high-performance computing and new numerical benchmarks

This paper is concerned with the numerical investigation of Quantum Turbulence (QT) described by the Gross-Pitaevskii (GP) equation. Numerical simulations are performed using a parallel (MPI-OpenMP) code based on a pseudo-spectral spatial discretization and second order splitting for the time integration. We start by revisiting (in the framework of high-performance/high-accuracy computations) well-known GP-QT settings, based on the analogy with classical vortical flows: Taylor-Green (TG) vortices and Arnold-Beltrami-Childress (ABC) flow. Two new settings are suggested to build the initial condition for the QT simulation. They are based on the direct manipulation of the wave function by generating a smoothed random phase (SRP) field, or seeding random vortex rings (RVR) pairs. The new initial conditions have the advantage to be simpler to implement than the TG and ABC approaches, while generating statistically equivalent QT fields. Each of these four GP-QT settings is described in detail by defining corresponding benchmarks that could be used to validate/calibrate new GP codes. We offer a comprehensive description of the numerical and physical parameters of each benchmark. We analyze the results in detail and present values, spectra and structure functions of main quantities of interest (energy, helicity, etc.) that are useful to describe the turbulent flow. Some general features of QT are identified, despite the variety of initial states.Comment: 61 pages, 21 figure

Bilans énergétiques à chaque échelle prenant en considération le mouvement cohérent

Les écoulements cisaillés sont réputés pour présenter un mouvement organisé qui se mêle à un fond turbulent. Dans cette étude, nous affinons l'approche de Reynolds et Hussain (JFM 1972) en proposant des bilans énergétiques à chaque échelle pour le mouvement aléatoire et pour le mouvement cohérent. Ces équations constituent un outil d'étude d'écoulements de complexité croissante : de localement isotropes à axisymétriques. Une attention particulière sera portée à la dynamique du transfert d'énergie associée à la présence des structures cohérentes dans le sillage de cylindre

Influence des conditions initiales sur le champ proche d'un sillage de cylindre

L’objectif de cette étude est de comprendre l’influence des conditions initiales sur le comportement du champ proche d’un sillage de cylindre, modifiées en insérant deux petits cylindres de contrôle. L'effet observé est une modification de la taille de la zone de recirculation et de la valeur maximum des fluctuations de vitesse

Sur l'évolution du taux moyen de dissipation de l'énergie cinétique dans la zone d'établissement d'un jet rond turbulent

Nous présentons une approche analytique sur l'évolution dans la zone proche sortie d'un jet rond turbulent, du taux moyen de dissipation de l'énergie cinétique de la turbulence, . Plus précisément, nous allons considérer la forme homogène de cette grandeur _hom. L'évolution de _hom dépend de plusieurs paramètres : un premier représentant l'étirement de la vorticité par le champ de cisaillement turbulent, un deuxième étant un terme de destruction par la viscosité moléculaire. Deux autres termes sont mis en évidence dans cette zone, un de cisaillement du champ de vitesse moyenne et un dernier qui reflète la diffusion turbulente. Notre équation est favorablement testée en utilisant des données expérimentales obtenues dans la zone proche de sortie d'un jet rond turbulent, à un nombre de Reynolds, R_lambda de 120. (La remarque du rapporteur a été prise en compte, et la définition de la forme homogène de epsilon a été explicitée à la fin de la section 1 du papier.

Self-preservation in annular jet with large diameter ratio

Cette étude vise à comprendre et quantifier l’influence des structures cohérentes sur les petites échelles turbulentes dans un jet annulaire à fort rapport de diamètres. Ce type de jet est représentatif des géométries de type ''bluff-body'' largement utilisées en combustion. On s’intéresse, dans un cas d’un jet faiblement chauffé, à l’évolution axiale des quantités moyennes de vitesse et de dissipation de l’énergie cinétique, ainsi que des quantités moyennes de scalaire passif associées

Diderot, l’Encyclopédie & autres études, sillages de Jacques Proust.

Pour tous les spécialistes de Diderot, pour tous les dix-huitiémistes mais aussi pour tous les universitaires, la figure de Jacques Proust (1926- 2005) conserve une présence singulière. En témoigne ce beau livre préparé par Marie Leca-Tsiomis qui réunit un ensemble d’évocations et d’études variées suscitées par le souvenir du grand professeur et du grand critique. Les cinq années écoulées depuis sa disparition permettent de donner à cet hommage quelque chose qui va plus loin que la piété et l..