Structure interne d'un jet de gaz injecté perpendiculairement à une couche limite turbulente verticale d'eau PDF Download
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L'ETUDE DE L'INJECTION DE GAZ DANS UN FLUIDE ANIME D'UN MOUVEMENT PERPENDICULAIRE AU PRECEDENT OFFRE UN INTERET CERTAIN AUSSI BIEN SUR LE PLAN INDUSTRIEL (REFROIDISSEMENT D'AUBES DE TURBINES, SUSTENTATION D'AVIONS A DECOLLAGE VERTICAL OU ATTERRISSAGE COURT, DISPERSION DE POLLUANTS), QUE SUR CELUI DE LA SECURITE (FUITES DE VAPEUR D'EAU DANS DU SODIUM). DANS CE TRAVAIL, NOUS NOUS INTERESSONS AUX JETS DIPHASIQUES (GAZ-LIQUIDE) SOUMIS A UN COURANT TRAVERSIER. PLUS PRECISEMENT, NOTRE ETUDE PORTE SUR UN JET D'AIR CIRCULAIRE DEBOUCHANT HORIZONTALEMENT DANS UNE COUCHE LIMITE TURBULENTE VERTICALE D'EAU. SON OBJECTIF EST D'AVOIR UNE MEILLEURE COMPREHENSION DE SES CARACTERISTIQUES PRINCIPALES COMME SA FORME EXTERIEURE, SA STRUCTURE INTERNE OU SES INTERACTIONS AVEC LE MILIEU ENVIRONNANT. LA VISUALISATION DU JET ET LA DETECTION LOCALE DE LA NATURE DES PHASES AU MOYEN D'UNE SONDE OPTIQUE ONT MONTRE L'EXISTENCE D'UNE POCHE DE GAZ DE GRANDE DIMENSION ENTOUREE D'UNE MINCE COUCHE DE MELANGE DIPHASIQUE DANS SA PREMIERE PARTIE SUIVIE D'UNE ZONE DE MELANGE INTENSE TRES LUMINEUSE. EN AVAL DE CETTE DERNIERE, LE JET PERD SA COHERENCE ET DES PAQUETS DU MELANGE GAZ-LIQUIDE SONT ENTRAINES PAR LE COURANT LIQUIDE. L'ANALYSE DES IMAGES A PERMIS DE MONTRER UNE CROISSANCE LINEAIRE DE L'AIRE DE LA SECTION DU JET DANS LA PREMIERE PARTIE DE L'ECOULEMENT. CE RESULTAT EST SIMILAIRE A CELUI OBTENU POUR UN JET HOMOGENE AYANT UN MECANISME TOTALEMENT DIFFERENT. LA MESURE DU TAUX DE PRESENCE DU GAZ A MIS EN EVIDENCE LA STRUCTURE INTERNE DU JET. LA POCHE DE GAZ EST ENTOUREE D'UNE INTERFACE GAZ-LIQUIDE D'UNE EPAISSEUR EGALE A 5 MM. L'INTERACTION ENTRE LE JET ET LE MILIEU ENVIRONNANT A ETE ETUDIEE EN MESURANT LE CHAMP DE VITESSE DANS LE PLAN DE SYMETRIE DU JET. LA ZONE EN AMONT DE L'INJECTION EST FORTEMENT PERTURBEE PAR CELUI-CI. IL SE COMPORTE COMME UN OBSTACLE SOLIDE : L'ECOULEMENT LIQUIDE SUBIT UNE FORTE DEVIATION AU VOISINAGE DE L'INJECTION, LES FLUCTUATIONS DE VITESSE AUGMENT CONSIDERABLEMENT DANS CETTE ZONE. EN REVANCHE, DANS LA REGION AVAL, LE JET PEUT ETRE CONSIDERE COMME UN OBSTACLE SOUPLE : IL N'EXISTE PAS DE FORT GRADIENT DE VITESSE DU LIQUIDE A SA FRONTIERE. PAR AILLEURS, LE MECANISME DE RUPTURE DE LA POCHE DE GAZ DONC DU JET EN LUI-MEME EST DEPENDANT DE LA VITESSE DU GAZ A L'INTERIEUR DE LA POCHE ET DE LA VITESSE DU LIQUIDE AUTOUR DU JET.
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L'ETUDE DE L'INJECTION DE GAZ DANS UN FLUIDE ANIME D'UN MOUVEMENT PERPENDICULAIRE AU PRECEDENT OFFRE UN INTERET CERTAIN AUSSI BIEN SUR LE PLAN INDUSTRIEL (REFROIDISSEMENT D'AUBES DE TURBINES, SUSTENTATION D'AVIONS A DECOLLAGE VERTICAL OU ATTERRISSAGE COURT, DISPERSION DE POLLUANTS), QUE SUR CELUI DE LA SECURITE (FUITES DE VAPEUR D'EAU DANS DU SODIUM). DANS CE TRAVAIL, NOUS NOUS INTERESSONS AUX JETS DIPHASIQUES (GAZ-LIQUIDE) SOUMIS A UN COURANT TRAVERSIER. PLUS PRECISEMENT, NOTRE ETUDE PORTE SUR UN JET D'AIR CIRCULAIRE DEBOUCHANT HORIZONTALEMENT DANS UNE COUCHE LIMITE TURBULENTE VERTICALE D'EAU. SON OBJECTIF EST D'AVOIR UNE MEILLEURE COMPREHENSION DE SES CARACTERISTIQUES PRINCIPALES COMME SA FORME EXTERIEURE, SA STRUCTURE INTERNE OU SES INTERACTIONS AVEC LE MILIEU ENVIRONNANT. LA VISUALISATION DU JET ET LA DETECTION LOCALE DE LA NATURE DES PHASES AU MOYEN D'UNE SONDE OPTIQUE ONT MONTRE L'EXISTENCE D'UNE POCHE DE GAZ DE GRANDE DIMENSION ENTOUREE D'UNE MINCE COUCHE DE MELANGE DIPHASIQUE DANS SA PREMIERE PARTIE SUIVIE D'UNE ZONE DE MELANGE INTENSE TRES LUMINEUSE. EN AVAL DE CETTE DERNIERE, LE JET PERD SA COHERENCE ET DES PAQUETS DU MELANGE GAZ-LIQUIDE SONT ENTRAINES PAR LE COURANT LIQUIDE. L'ANALYSE DES IMAGES A PERMIS DE MONTRER UNE CROISSANCE LINEAIRE DE L'AIRE DE LA SECTION DU JET DANS LA PREMIERE PARTIE DE L'ECOULEMENT. CE RESULTAT EST SIMILAIRE A CELUI OBTENU POUR UN JET HOMOGENE AYANT UN MECANISME TOTALEMENT DIFFERENT. LA MESURE DU TAUX DE PRESENCE DU GAZ A MIS EN EVIDENCE LA STRUCTURE INTERNE DU JET. LA POCHE DE GAZ EST ENTOUREE D'UNE INTERFACE GAZ-LIQUIDE D'UNE EPAISSEUR EGALE A 5 MM. L'INTERACTION ENTRE LE JET ET LE MILIEU ENVIRONNANT A ETE ETUDIEE EN MESURANT LE CHAMP DE VITESSE DANS LE PLAN DE SYMETRIE DU JET. LA ZONE EN AMONT DE L'INJECTION EST FORTEMENT PERTURBEE PAR CELUI-CI. IL SE COMPORTE COMME UN OBSTACLE SOLIDE : L'ECOULEMENT LIQUIDE SUBIT UNE FORTE DEVIATION AU VOISINAGE DE L'INJECTION, LES FLUCTUATIONS DE VITESSE AUGMENT CONSIDERABLEMENT DANS CETTE ZONE. EN REVANCHE, DANS LA REGION AVAL, LE JET PEUT ETRE CONSIDERE COMME UN OBSTACLE SOUPLE : IL N'EXISTE PAS DE FORT GRADIENT DE VITESSE DU LIQUIDE A SA FRONTIERE. PAR AILLEURS, LE MECANISME DE RUPTURE DE LA POCHE DE GAZ DONC DU JET EN LUI-MEME EST DEPENDANT DE LA VITESSE DU GAZ A L'INTERIEUR DE LA POCHE ET DE LA VITESSE DU LIQUIDE AUTOUR DU JET.
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L'ETUDE DE L'INJECTION DE GAZ DANS UN FLUIDE AU REPOS OU ANIME D'UN MOUVEMENT PERPENDICULAIRE AU PRECEDENT OFFRE UN INTERET CERTAIN AUSSI BIEN SUR LE PLAN INDUSTRIEL (GENIE DES PROCEDES POUR LES REACTIONS EN L'ABSENCE DE SYSTEME D'AGITATION, REFROIDISSEMENT D'AUBES DE TURBINES, SUSTENTATION D'AVIONS A DECOLLAGE VERTICAL OU ATTERRISSAGE COURT, DISPERSION DE POLLUANTS,), QUE SUR CELUI DE LA SECURITE (FUITES DE VAPEUR D'EAU DANS DU SODIUM IMMOBILE OU EN MOUVEMENT). DANS CE TRAVAIL, NOUS NOUS INTERESSONS AUX JETS DIPHASIQUES (GAZ-LIQUIDE) EN PRESENCE DU COURANT TRAVERSIER. PLUS PRECISEMENT, NOTRE ETUDE PORTE SUR UN JET AXISYMETRIQUE D'AIR DEBOUCHANT HORIZONTALEMENT DANS UNE COUCHE LIMITE VERTICALE D'EAU. SON OBJECTIF EST D'AVOIR UNE MEILLEURE COMPREHENSION DE SES CARACTERISTIQUES PRINCIPALES COMME SA FORME EXTERIEURE, SA STRUCTURE INTERNE OU SES INTERACTIONS AVEC LE MILIEU ENVIRONNANT. LA VISUALISATION DU JET ET LA DETECTION LOCALE DE LA NATURE DES PHASES AU MOYEN D'UNE FIBRE OPTIQUE ONT MONTRE L'EXISTENCE D'UNE POCHE DE GAZ ENTOUREE D'UNE COUCHE DE MELANGE DIPHASIQUE DANS SA PREMIERE PARTIE SUIVIE D'UNE ZONE DE MELANGE INTENSE TRES LUMINEUSE. EN AVAL DE CETTE DERNIERE, LE JET PERD SA COHERENCE ET DES PAQUETS DU MELANGE GAZ-LIQUIDE SONT ENTRAINES PAR LE COURANT LIQUIDE. L'INTERACTION ENTRE LE JET ET LE MILIEU ENVIRONNANT A ETE ETUDIEE EN MESURANT LE CHAMP DE VITESSE AUTOUR DU JET ET LA DISTRIBUTION DE LA PRESSION STATIQUE SOUS ET DANS LE JET. UNE AUGMENTATION DES VECTEURS VITESSE AU VOISINAGE DU JET A ETE REMARQUEE. CETTE DERNIERE CORRESPOND EXACTEMENT A LA DEPRESSION MESUREE. DE PLUS, UN MINIMUM DE PRESSION ASSEZ REMARQUABLE SE SITUANT SOUS LE JET DANS LA POSITION DE LA ZONE DE MELANGE INTENSE A ETE DETECTE. LA GEOMETRIE DU JET, L'INTENSITE DE MINIMUM DE PRESSION SOUS LE JET ET LA POSITION DE CE DERNIER PEUVENT ETRE CALCULEES EN FONCTION DES PARAMETRES CARACTERISTIQUES DU JET
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L'ETUDE DE JETS DE GAZ PARALLELES INJECTES HORIZONTALEMENT DANS UN COURANT TRAVERSIER VERTICAL DE LIQUIDE PRESENTE UN INTERET THEORIQUE CAR ELLE ASSOCIE DEUX SITUATIONS FONDAMENTALES DE LA MECANIQUE DES FLUIDES : LE JET AXISYMETRIQUE ET L'ECOULEMENT SUR UNE PAROI. LA SORTIE D'EAU D'UN MISSILE TIRE DEPUIS UN SOUS-MARIN EST UN EXEMPLE DE LA VARIETE DES APPLICATIONS INDUSTRIELLES DANS LESQUELLES CET ECOULEMENT EST RENCONTRE. LE JET N'EST PAS INFLUENCE PAR L'EPAISSEUR DE LA COUCHE LIMITE DE L'ECOULEMENT TRAVERSIER. IL POSSEDE DEUX ETATS STABLES, CORRESPONDANT A L'EXISTENCE OU NON D'UNE POCHE DE GAZ PLAQUEE A LA PAROI. LA FIN DE CELLE-CI EST CONSTITUEE D'UN TOURBILLON EN AVAL DUQUEL LE JET PERD SA COHERENCE. LES PHENOMENES COMPLEXES APPARAISSANT LORS DE L'INJECTION DE PLUSIEURS JETS ONT ETE REPERTORIES EN QUATRE GROUPES : JETS ISOLES (ELOIGNES), LES JETS EN INTERACTION FAIBLE (MOUVEMENT PERIODIQUE DE BASSE FREQUENCE DE LEURS TOURBILLONS), EN INTERACTION FORTE (OSCILLATION SUPPLEMENTAIRE DE LA FRONTIERE DES JETS) ET LES JETS INTERDEPENDANTS (DESTRUCTION D'UNE POCHE DE GAZ AU MOINS). DES VISUALISATIONS METTENT EN EVIDENCE QU'UN JET DANS UNE RANGEE EST PLUS EPAIS, MOINS LARGE ET PLUS LONG QU'UN JET UNIQUE. DES MESURES DE VITESSE ET DE PRESSION MONTRENT QUE L'ECOULEMENT LIQUIDE EST MASSIVEMENT DEVIE PAR LA PRESENCE DES JETS JUSQU'A UNE ABSCISSE SITUEE AU NIVEAU DU TOURBILLON, QUI CORRESPOND A UNE INVERSION DU SIGNE DU COEFFICIENT DE PRESSION CP.
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L'OBJECTIF DE CE TRAVAIL EST DE CONTRIBUER A LA MODELISATION EXPERIMENTALE ET NUMERIQUE DE L'INTERACTION D'UNE INJECTION PERPENDICULAIRE DE PAROI A TAUX D'INJECTION R (RAPPORT DES DEBIT-MASSES) VOISINS DE 1 POUR LESQUELS LES MODELES NUMERIQUES CONSTRUITS POUR LES CAS A FORTS TAUX NE SONT PAS ADAPTES. ON ANALYSE EN DETAIL L'ECOULEMENT AU VOISINAGE DE L'ORIFICE D'UN JET CIRCULAIRE, DE 100 MM DE DIAMETRE, EMIS A R=0,56 A TRAVERS UNE COUCHE LIMITE MINCE DE PLAQUE PLANE DANS UN ECOULEMENT A 16 M/S. DES MESURES DE VITESSE ET DE PRESSIONS MOYENNES ET DES VISUALISATIONS DECRIVENT L'INTERACTION. ELLES SONT COMPLETEES PAR DES MESURES INSTANTANEES DE VITESSE QUI METTENT EN EVIDENCE DES PHENOMENES INSTATIONNAIRES DONT ON DETAILLE LE MECANISME ET LES EFFETS SUR LE JET. ON COMPARE L'EXPERIENCE A UNE MODELISATION INTEGRALE DU JET ET AU RESULTAT D'UNE SIMULATION NUMERIQUE STATIONNAIRE ET TURBULENTE UTILISANT LE CODE NATUR3D DEVELOPPE PAR L'ECOLE CENTRALE DE LYON. CELUI-CI REPRESENTE BIEN LA REGION IMMEDIATE DE L'ORIFICE ET, PLUS EN AVAL, LA PARTIE SUPERIEURE DU JET. L'ANALYSE DES DIFFERENCES ENTRE CETTE SIMULATION NUMERIQUE ET L'EXPERIENCE, POUR L'ECOULEMENT ENTRE LA PAROI ET LA PARTIE INFERIEURE DU JET, PERMET DE QUANTIFIER L'EFFET DE L'INSTATIONNARITE SUR LE COMPORTEMENT MOYEN DU JET. L'ETUDE EST ETENDUE, SUR LE PLAN EXPERIMENTAL, A L'EFFET DE DEUX PARAMETRES IMPORTANTS POUR LES APPLICATIONS: L'EPAISSEUR DE LA COUCHE LIMITE DE PAROI ET L'EFFET DU NOMBRE DE MACH. ON ETUDIE LE PREMIER EN INCOMPRESSIBLE AVEC D/D=0,9 ET LE SECOND A M=0,8
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ETUDE EXPERIMENTALE ET THEORIQUE DE LA COUCHE LIMITE REACTIVE OBTENUE PAR INJECTION D'UN MELANGE PROPANE-AIR A TRAVERS UNE PAROI POREUSE DANS UN ECOULEMENT DE GAZ BRULES PARALLELE A CETTE DERNIERE
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LA COMPREHENSION DES ECOULEMENTS INTERNES A INJECTION PARIETALE ENTRAVES PAR DES SEGMENTS CONSTITUE L'OBJECTIF PRINCIPAL DE CE MEMOIRE. LES DOMAINES D'APPLICATIONS, BIEN QU'ILS PUISSENT ETRE MULTIPLES, INTERVIENNENT DANS LE CADRE DE LA PREVISION DES INSTABILITES DE FONCTIONNEMENT DES PROPULSEURS SEGMENTES A PROPERGOL SOLIDE. UNE APPROCHE EN GAZ FROID A PARTIR D'UNE MAQUETTE DE SIMULATION, REPRODUISANT DES CONDITIONS D'INSTABILITES AERODYNAMIQUES SIMILAIRES, PERMET D'APPREHENDER LES ASPECTS FONDAMENTAUX ENGENDRES SOIT PAR LE TRANSFERT DE MASSE A LA PAROI, SOIT PAR LA PRESENCE DE SEGMENT, SOIT PAR LEUR INTERACTION. L'ETUDE DE L'ECOULEMENT AVEC PRESENCE DE CAVITE DEBITANTE ET DE SEGMENT ENTRAVANT LE DEVELOPPEMENT DE L'ECOULEMENT A ETE ENTREPRISE. UNE COUCHE DE CISAILLEMENT TURBULENTE A ETE IDENTIFIEE ; LA DEGRADATION LONGITUDINALE DE LA MEMOIRE DE L'ECOULEMENT S'IDENTIFIE A CELLE D'UNE COUCHE LIMITE EN CONVECTION FORCEE. EN AVAL DU SEGMENT, UNE PHASE DE DEVELOPPEMENT DES STRUCTURES TURBULENTES A ETE IDENTIFIEE. LA PERSISTANCE DE LA MEMOIRE DE LA TURBULENCE INDIQUE UNE PHASE DE TRANSPORT ET DE CONVECTION DE CES STRUCTURES. LA PAROI DEBITANTE NE DETRUIT PAS LES STRUCTURES TURBULENTES MAIS AU CONTRAIRE, JOUE UN ROLE D'AUTO-ENTRETIEN DE LA STRUCTURE FINE DE L'ECOULEMENT. UNE MODELISATION NUMERIQUE DE LA COUCHE DE CISAILLEMENT A PERMIS DE QUANTIFIER LA PRODUCTION DE LA TURBULENCE ET SA DIFFUSION EN AVAL DU SEGMENT, ET, SOULIGNE QUE L'INJECTION PARIETALE EMPECHE ET REPOUSSE LA DIFFUSION DE LA TURBULENCE A PROXIMITE DE LA PAROI DEBITANTE. UN BON ACCORD EST OBSERVE ENTRE LES RESULTATS NUMERIQUES ET EXPERIMENTAUX
Author: Stéphane Pignoux
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