Author: CARLOS FREDERICO.. NEVES BETTENCOURT DA SILVA Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 207
Book Description
DANS CETTE ETUDE, LE ROLE DES STRUCTURES COHERENTES POUR TROIS DIFFERENTS PROBLEMES D'ECOULEMENTS TURBULENTS ET EN TRANSITION EST ETUDIE PAR DES SIMULATIONS NUMERIQUES DIRECTES ET DES GRANDES ECHELLES. LA PREMIERE ETUDE CONCERNE LE CONTROLE DES JETS CIRCULAIRES. LA GENERATION DE JETS EN BIFURCATION AVEC TROIS FORCAGES DIFFERENTS A ETE ETUDIEE PAR L'ANALYSE DE LEUR DYNAMIQUE TOURBILLONNAIRE. LES TAUX D'ELARGISSEMENT LES PLUS ELEVES SONT OBTENUS PAR L'EXCITATION SIMULTANEE DU MODE DOMINANT ET DE SON SOUS-HARMONIQUE. LA POSSIBILITE DE CONTROLER LE JET A DES NOMBRES DE REYNOLDS ELEVES DEPEND DES CHANCES DE SURVIE D'UNE STRUCTURE TOURBILLONNAIRE PRIMAIRE DANS UN MILIEU DE FORTE ACTIVITE TURBULENTE A PETITE ECHELLE. LA DEUXIEME ETUDE ANALYSE L'EFFET DES LARGES TOURBILLONS SUR LES INTERACTIONS LOCALES ENTRE ECHELLES RESOLUES ET SOUS-MAILLE DANS DES JETS PLANS TURBULENTS ET EN TRANSITION. IL EST DEMONTRE COMMENT LA PRESENCE DE CES STRUCTURES AUGMENTE LES ECHANGES ENERGETIQUES ENTRE DIFFERENT ECHELLES. LES MECANISMES LES PLUS IMPORTANTS POUR LA DYNAMIQUE DES ECHELLES RESOLUES SONT L'ADVECTION ET LES INTERACTIONS PRESSION-VITESSE, TANDIS QUE LA DIFFUSION SOUS-MAILLE EST LOCALEMENT PLUS IMPORTANTE QUE LE TRANSFERT. L'HYPOTHESE D'EQUILIBRE LOCAL N'EST PAS VERIFIEE A CAUSE DES VALEURS LOCALES TRES ELEVEES D'ADVECTION D'ENERGIE CINETIQUE SOUS-MAILLE. LA DISSIPATION VISQUEUSE SOUS-MAILLE SE SITUE SURTOUT AU CENTRE DES TOURBILLONS. LA DERNIERE ETUDE EST BASEE SUR L'EVOLUTION DES TOURBILLONS DANS LE CHAMP PROCHE D'UN JET COAXIAL. CETTE ETUDE ANALYSE LES TOURBILLONS PRIMAIRES RESULTANT DE L'INSTABILITE DE KELVIN-HELMHOLTZ ET DU PHENOMENE DE FERMETURE ENTRE LES COUCHES DE CISAILLEMENT INTERIEURE ET EXTERIEURE DU JET. L'ETUDE S'INTERESSE AUSSI A LA FORMATION D'UNE GRANDE REGION DE RECIRCULATION, DECRITE PAR DES TRAVAUX EXPERIMENTAUX ANTERIEURS, ET SON ROLE DANS LA GENERATION DE TOURBILLONS LONGITUDINAUX, DE NATURE DIFFERENTE DES TOURBILLONS RESULTANT DES INSTABILITES SECONDAIRES DANS DES ECOULEMENTS CISAILLES LIBRES.
Author: Guillaume Balarac (chercheur en génie mécanique).) Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Ce travail porte sur l'étude par simulation numérique de jets ronds coaxiaux à fort rapport de vitesse avec une attention particulière portée sur trois aspects : la transition de ces jets vers la turbulence, le mélange dans cette configuration d'écoulement et l'influence du nombre de Reynolds sur ces deux précédents points. Dans un premier temps, nous réalisons des simulations numériques directes de jets coaxiaux à un nombre de Reynolds modéré. Ces jets générent une région de recirculation lorsque le rapport des vitesses entre les jets externe et interne dépasse une valeur critique. Les anneaux de Kelvin-Helmholtz intérieurs et extérieurs ont un développement couplé. Ils sont convectés avec une même fréquence de passage contrôlée par la couche cisaillée extérieure. Ensuite, comme pour les jets ronds, des tourbillons longitudinaux contra-rotatifs apparaissent initiant la tridimensionnalisation de l'écoulement. La région de recirculation influence les anneaux de Kelvin-Helmholtz internes en les ralentissant et en les étirant longitudinalement. Deux modèles théoriques prédisant des grandeurs globales du jet (la longueur du cône potentiel interne et la valeur du rapport de vitesse critique au-delà duquel la région de recirculation apparaît) montrent l'influence de l'épaisseur de quantité de mouvement intérieure initiale. Les propriétés de mélange ont ensuite été étudiées en résolvant l'équation de transport d'un traceur simultanément aux équations de Navier-Stokes. Les structures cohérentes de l'écoulement contrôlent le processus de mélange. Les tourbillons longitudinaux augmentent le mélange par un phénomène d'éjection du traceur en périphérie du jet. Cependant, la configuration initiale du jet montre que des poches de traceur non mélangé persistent à la fin de la transition. Les modifications des conditions d'entrée du jet diminuant ces poches sont celles qui permettent une génération plus précoce ou plus intense de structures longitudinales. C'est le cas de la région de recirculation qui étire longitudinalement les structures. De la même façon, un forçage azimutal de la couche cisaillée externe (qui domine la dynamique) améliore nettement le mélange et semble être plus performant qu'un forçage axisymétrique en ce qui concerne le mélange en champ proche. Pour finir, nous avons réalisé des simulations des grandes échelles de jets coaxiaux à hauts nombres de Reynolds. L'auto-similitude des jets coaxiaux en turbulence pleinement développée a permis une validation sur les données expérimentales. Les quantités globales des jets coaxiaux sont fortement dépendantes du nombre de Reynolds jusqu'à ce que celui-ci atteigne une valeur de l'ordre de 10000. Au-delà de cette valeur, ces quantités sont quasi-indépendantes du nombre de Reynolds en raison du phénomène de ``mixing transition'' qui implique une déstabilisation tridimensionnelle immédiate du jet. Cette déstabilisation précoce des couches cisaillées conduit la région de recirculation à un comportement instationnaire. Enfin, cela permet une nette amélioration du mélange avec un phénomène d'éjection du traceur proche de l'entrée du jet.
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Ce travail porte sur l'étude par simulation numérique de jets ronds coaxiaux à fort rapport de vitesse avec une attention particulière portée sur trois aspects : la transition de ces jets vers la turbulence, le mélange dans cette configuration d'écoulement et l'influence du nombre de Reynolds sur ces deux précédents points. Dans un premier temps, nous réalisons des simulations numériques directes de jets coaxiaux à un nombre de Reynolds modéré. Ces jets générent une région de recirculation lorsque le rapport des vitesses entre les jets externe et interne dépasse une valeur critique. Les anneaux de Kelvin-Helmholtz intérieurs et extérieurs ont un développement couplé. Ils sont convectés avec une même fréquence de passage contrôlée par la couche cisaillée extérieure. Ensuite, comme pour les jets ronds, des tourbillons longitudinaux contra-rotatifs apparaissent initiant la tridimensionnalisation de l'écoulement. La région de recirculation influence les anneaux de Kelvin-Helmholtz internes en les ralentissant et en les étirant longitudinalement. Deux modèles théoriques prédisant des grandeurs globales du jet (la longueur du cône potentiel interne et la valeur du rapport de vitesse critique au-delà duquel la région de recirculation apparaît) montrent l'influence de l'épaisseur de quantité de mouvement intérieure initiale. Les propriétés de mélange ont ensuite été étudiées en résolvant l'équation de transport d'un traceur simultanément aux équations de Navier-Stokes. Les structures cohérentes de l'écoulement contrôlent le processus de mélange. Les tourbillons longitudinaux augmentent le mélange par un phénomène d'éjection du traceur en périphérie du jet. Cependant, la configuration initiale du jet montre que des poches de traceur non mélangé persistent à la fin de la transition. Les modifications des conditions d'entrée du jet diminuant ces poches sont celles qui permettent une génération plus précoce ou plus intense de structures longitudinales. C'est le cas de la région de recirculation qui étire longitudinalement les structures. De la même façon, un forçage azimutal de la couche cisaillée externe (qui domine la dynamique) améliore nettement le mélange et semble être plus performant qu'un forçage axisymétrique en ce qui concerne le mélange en champ proche. Pour finir, nous avons réalisé des simulations des grandes échelles de jets coaxiaux à hauts nombres de Reynolds. L'auto-similitude des jets coaxiaux en turbulence pleinement développée a permis une validation sur les données expérimentales. Les quantités globales des jets coaxiaux sont fortement dépendantes du nombre de Reynolds jusqu'à ce que celui-ci atteigne une valeur de l'ordre de 10000. Au-delà de cette valeur, ces quantités sont quasi-indépendantes du nombre de Reynolds en raison du phénomène de ``mixing transition'' qui implique une déstabilisation tridimensionnelle immédiate du jet. Cette déstabilisation précoce des couches cisaillées conduit la région de recirculation à un comportement instationnaire. Enfin, cela permet une nette amélioration du mélange avec un phénomène d'éjection du traceur proche de l'entrée du jet.
Author: CARLOS FREDERICO.. NEVES BETTENCOURT DA SILVA
Author: Guillaume Balarac (chercheur en génie mécanique).)
Author: Guillaume Balarac