Simulation des grandes échelles turbulentes d'un jet plan en impact PDF Download
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Author: François Beaubert Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 281
Book Description
Ce travail concerne l'étude d'un jet plan turbulent en impact par simulation des grandes échelles turbulentes. Le jet plan en impact est très largement utilisé dans le milieu industriel et couvre des domaines d'application aussi variés que les procédés de fabrication et de traitement des matériaux, le refroidissement ou le réchauffement de surface. Le contexte de cette étude concerne plus particulièrement l'écoulement du jet plan utilisé comme séparateur d'ambiances climatiques ou comme élément de sécurité pour la prévention et la protection de pollution gazeuse ou solide. Une méthode numérique hermitienne, à pas fractionnaire est utilisée pour résoudre les équations de Navier-Stokes incompressibles. La fermeture des équations filtrées repose sur le concept de viscosité turbulente...
Author: François Beaubert Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 281
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Ce travail concerne l'étude d'un jet plan turbulent en impact par simulation des grandes échelles turbulentes. Le jet plan en impact est très largement utilisé dans le milieu industriel et couvre des domaines d'application aussi variés que les procédés de fabrication et de traitement des matériaux, le refroidissement ou le réchauffement de surface. Le contexte de cette étude concerne plus particulièrement l'écoulement du jet plan utilisé comme séparateur d'ambiances climatiques ou comme élément de sécurité pour la prévention et la protection de pollution gazeuse ou solide. Une méthode numérique hermitienne, à pas fractionnaire est utilisée pour résoudre les équations de Navier-Stokes incompressibles. La fermeture des équations filtrées repose sur le concept de viscosité turbulente...
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Le contexte général de cette étude concerne l’impact des traînées de condensation, ces fameux panaches blancs fréquemment observés dans le sillage des avions, sur l’atmosphère. D’un point de vue aérodynamique, la formation des traînées de condensation se caractérise par l’interaction entre un jet turbulent et un tourbillon de sillage. L’objectif de cette thèse est de contribuer à une meilleure compréhension des phénomènes thermiques et dynamiques mis en jeu dans cet écoulement. Ce travail repose sur la résolution numérique des équations de Navier-Stokes, et de conservation de l’énergie, formulées pour le cas d’un écoulement tridimensionnel, instationnaire et compressible. Deux approches sont considérées: la simulation numérique directe et la simulation des grandes échelles. Une simulation temporelle de la transition à la turbulence d’un jet rond non-isotherme est effectuée sans tenir compte du champ tourbillonnaire. A l’issue de cette simulation, un modèle de tourbillon de sillage est superposé à l’écoulement de jet. La première partie de cette thèse présente les deux approches, les différents modèles de sous-maille choisis pour les simulations des grandes échelles, ainsi que les méthodes numériques employées. La deuxième partie est consacrée à la simulation de l’écoulement de jet, et ici, l’objectif est de déterminer le modèle de sous-maille approprié à cette configuration d’écoulement. La troisième partie est dédiée à la simulation de l’interaction entre le jet et le tourbillon de sillage. Les résultats sont comparés à ceux issue d’une campagne d’essais. Les simulations ont démontré le développement de grosses structures de la turbulence autour du cœur tourbillonnaire, dans lesquelles se concentre le champ de température
Author: Song Giang Le Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 184
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Cette thèse présente une étude de la physique et de la modélisation des jets d'impact turbulent. Un code numérique original pour calculer l'écoulement incompressible, instationnaire a été développé. Il est implicite de 2ème ordre de précision en espace et en temps, basé sur la méthode aux volumes finis avec le maillage non-décalé. Les équations de quantité de mouvement sont résolues par la méthode ADI pour le champ de vitesse, pendant que la pression est obtenue en résolvant l'équation de Poisson avec les conditions aux limites de type Neumann par la méthode multigrille. La condition de compatibilité est respectée pour que la solution de l'équation de Poisson existe. Les équations de transfert des grandeurs de la turbulence sont résolues par la même méthode ADI. Toutes les équations sont découplées. Le jet d'impact plan, turbulent avec le nombre de Reynolds Re=6000 et la hauteur H/B=10 de Tsubokura et al. (1997) a été calculé par la méthode Semi-Déterministe avec quatre modèles de turbulence k-epsilon : STD, RNG, LS et LB. Bien que les résultats de calcul soient comparables assez bien avec ceux de l'expérience, cette étude a montré une faiblesse majeure des modèles : ils ne peuvent pas bien décrire les effets de faible nombre de Reynolds turbulent dans un écoulement ayant une configuration complexe. Cette insuffisance a été surmontée en utilisant le nouveau modèle proposé. A la différence de la plupart des modèles, les fonctions d'amortissement du nouveau modèle n'exigent pas la présence de paroi. Avec l'aide du nouveau modèle, la prédiction de la turbulence a été sensiblement améliorée. Les résultats de prédétermination des grandeurs moyennes (temporelles ou d'ensemble) d'un jet d'impact se trouvent aussi améliorés.
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Dans le cadre des simulations de grandes structures, un nouveau modèle de sous- maille, à viscosité de turbulence, avec deux équations de transport a été développé. L'échelle caractéristique de vitesse de la viscosité de turbulence est évaluée par l'énergie cinétique de turbulence du champ implicite donnée par une première équation de transport. Quant à l'échelle de longueur, elle n'est plus unique, donnée par la taille de la grille du calcul, mais est estimée de manière dynamique par une deuxième équation d'évolution, celle pour la dissipation de l'énergie cinétique de turbulence de sous-maille. Ainsi, le modèle de sous-maille à deux équations se propose de répondre au problème posé par les situations de déséquilibre où la correspondance entre échelle de sous-maille et échelle de dissipation n'est plus justifiée. Ce qui implique que l'hypothèse d'une échelle de longueur de viscosité de turbulence déterminée par la seule largeur du filtre n'est plus réaliste.Dans ce mémoire, le modèle à deux équations est appliqué dans le cas d'un écoulement en non-équilibre spectral produit par la rencontre entre deux écoulements d'échelles différentes : la couche de mélange non cisaillée. Les résultats sont comparés aux données expérimentales de Veeravalli et Warhaft. Pour traiter ce cas, une nouvelle méthode de génération d'un champ analytique homogène, anisotrope a été mise au point pour créer des conditions d'entrée proches de l'expérience. Cette méthode a été validée au préalable dans le cas d'un écoulement de canal plan stationnaire.
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UNE METHODE NUMERIQUE DE HAUTE PRECISION EST DEVELOPPEE PERMETTANT DE RESOUDRE EFFICACEMENT LES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES INSTATIONNAIRES ET TRIDIMENSIONNELLES. LES APPROXIMATIONS SPATIALES REPOSENT SUR L'UTILISATION DE DIFFERENCES FINIES HERMITIENNES ET DES METHODES PSEUDO-SPECTRALES. LE COUPLAGE VITESSE-PRESSION EST RESOLU A L'AIDE D'UNE METHODE A PAS FRACTIONNAIRE AVEC ITERATIONS INTERNES. LA VALIDATION NUMERIQUE EST OBTENUE PAR DES COMPARAISONS AVEC DES SOLUTIONS ANALYTIQUES CONNUES POUR DIFFERENTS REGIMES LAMINAIRES AINSI QUE PAR L'ETUDE DU TAUX D'AMPLIFICATION DE L'ENERGIE DE PETITES PERTURBATIONS DANS LE CADRE DE LA THEORIE DE LA STABILITE LINEAIRE. LA METHODE MISE AU POINT EST ENSUITE ETENDUE AUX SIMULATIONS DES GRANDES ECHELLES TURBULENTES DANS LE CAS DE L'ECOULEMENT DE REFERENCE DE CANAL PLAN. LES RESULTATS CONCERNANT LE CHAMP DE VITESSE ET PLUS PARTICULIEREMENT LE CHAMP DE PRESSION SONT COMPARES A DES RESULTATS EXPERIMENTAUX ET A D'AUTRES SIMULATIONS. LES PROPRIETES SPECTRALES DU CHAMP DE PRESSION PARIETALE ONT FAIT L'OBJET D'UNE ATTENTION TOUTE PARTICULIERE EN VUE DE SES APPLICATIONS A L'HYDRO-ACOUSTIQUE. UNE ANALYSE TRIDIMENSIONNELLE DU CHAMP TURBULENT EST EGALEMENT ENTREPRISE VISANT ENTRE AUTRE A CARACTERISER LE TYPE DE STRUCTURES ORGANISEES PRESENTES DANS CE TYPE D'ECOULEMENT AINSI QUE LEURS CONNEXIONS AVEC LE CHAMP DE PRESSION PARIETAL
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Les traînées de condensation, ces panaches blancs souvent observés dans le sillage des avions, contribuent à la perturbation du bilan radiatif terrestre. Composées de cristaux de glace, elles peuvent en effet persister et entraîner une augmentation de la nébulosité. Le but de cette thèse est de mieux comprendre et décrire le processus de formation des cristaux de glace dans le champ proche d’un avion. L’écoulement de sillage est constitué d’une phase gazeuse (air et vapeur) et d’une phase solide (particules) en interaction. La simulation numérique de cet écoulement repose sur une méthode mixte eulérienne (gaz) et lagrangienne (particules). La simulation des grandes échelles est utilisée pour résoudre les équations de Navier-Stokes relatives au fluide turbulent, instationnaire et compressible. La croissance de chaque particule par condensation de la vapeur d’eau est calculée grâce au modèle microphysique de Fukuta-Walter. Deux régimes sont considérés : le régime jet et le régime d’interaction entre le jet et le tourbillon de sillage. Dans une première partie sont présentées la modélisation et les méthodes numériques employées. La deuxième partie consiste à relater les résultats obtenus lors des simulations. Le régime jet est d’abord traité afin d’étudier le rôle des paramètres caractérisant l’écoulement sur la taille et la densité numérique des cristaux de glace. Un champ tourbillonnaire est ensuite superposé à l’écoulement de jet pour examiner l’influence du tourbillon de sillage sur les processus microphysiques. Les simulations ont démontré l’importance du choix des paramètres décrivant l’écoulement pour caractériser avec précision les traînées de condensation.
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CETTE ETUDE DEMONTRE LES POTENTIALITES DE LA TECHNIQUE NUMERIQUE DE SIMULATION DES GRANDES ECHELLES POUR DECRIRE ET COMPRENDRE LA DYNAMIQUE D'ECOULEMENTS TURBULENTS EN GEOMETRIE COMPLEXE. ELLE S'INTERESSE PLUS PARTICULIEREMENT AUX ECOULEMENTS DE JET LIBRE, JET CONFINE ET JETS MULTIPLES DE GRILLE A HAUTE SOLIDITE. DES SIMULATIONS SPATIALES DE LA ZONE PROCHE D'UN JET LIBRE, ROND, A HAUT NOMBRE DE REYNOLDS, SONT EFFECTUEES. MALGRE UNE EVIDENTE SENSIBILITE AUX CONDITIONS AMONTS, DE BONS ACCORDS ENTRE NOS PREDICTIONS STATISTIQUES ET DIFFERENTES MESURES EXPERIMENTALES SONT OBTENUS. LES MULTIPLES STRUCTURES TOURBILLONNAIRES COHERENTES IMPLIQUEES DANS LA TRANSITION A LA TURBULENCE DU JET SONT RETROUVEES. ON OBSERVE, ALTERNATIVEMENT, DES TOURBILLONS DE FORME HELICOIDALE OU ANNULAIRE AXISYMETRIQUE. ON MET EGALEMENT EN EVIDENCE UN ARRANGEMENT TOURBILLONNAIRE ORIGINAL, QUI RESULTE DE L'INCLINAISON ALTERNEE ET DE L'APPARIEMENT LOCAL DE CES ANNEAUX. IL PEUT ETRE FORCE PAR UNE EXCITATION AD-HOC, CE QUI MODIFIE ALORS RADICALEMENT LE DEVELOPPEMENT DU JET. LORSQU'UNE EXCITATION AXISYMETRIQUE EST IMPOSEE, APRES QUE LES STRUCTURES ANNULAIRES SE SOIENT FORMEES, DES PAIRES DE TOURBILLONS LONGITUDINAUX CONTRA-ROTATIFS APPARAISSENT ET CREENT DES JETS LATERAUX. LEUR NATURE, ET LEUR PRESENCE DANS LE CAS D'UNE EXCITATION HELICOIDALE, SONT DISCUTEES. UNE METHODE EFFICACE POUR CONTROLER LEUR NOMBRE EST DEVELOPPEE. ON S'INTERESSE ENSUITE AU PHENOMENE PERIODIQUE TRES BASSE FREQUENCE DE RETARD-AVANCE DE TRANSITION A LA TURBULENCE QUI SE DEVELOPPE DANS LE JET CONFINE ET LES JETS MULTIPLES DE GRILLE (PHENOMENE GENERIQUE A DE NOMBREUX ECOULEMENTS). IL S'AVERE DEPENDRE, NON SEULEMENT DES CARACTERISTIQUES DES ZONES DE RECIRCULATIONS (PRE-TRANSITION) MAIS EGALEMENT DE L'ECOULEMENT PLUS EN AVAL (ZONE DE STAGNATION POST-TRANSITION, EFFET DE PRESSION). ON MET EN EVIDENCE, DES LA GRILLE, DES MOUVEMENTS TRANSVERSAUX ET A GRANDE ECHELLE, DE FLUIDE. UNE INTERPRETATION DU PHENOMENE EST PROPOSEE.
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NOTRE RECHERCHE PORTE SUR L'ETUDE DE LA REACTION D'UN JET TURBULENT AXISYMETRIQUE A UNE INSTATIONNARITE EXTERNE FORCEE IMPOSEE PAR UNE BRUSQUE CHUTE DE VITESSE A L'EJECTION. UNE INSTALLATION EXPERIMENTALE DE JET D'AIR AXISYMETRIQUE A VITESSE D'EJECTION VARIABLE (RE=13350, 7000) A ETE REALISEE. LES MESURES SONT OBTENUES PAR ANEMOMETRIE A FILS CHAUDS. UN TRAVAIL IMPORTANT DE TRAITEMENT NUMERIQUE DES DONNEES EN REGIME INSTATIONNAIRE ET DES QUALIFICATIONS FINES DE L'AERODYNAMIQUE DE L'INSTALLATION ONT ETE EFFECTUEES. UNE INTRODUCTION A LA PROBLEMATIQUE DU SUJET NOUS PERMET DE PRECISER LES DIFFERENTS TYPES D'INTERACTION ENTRE L'ECOULEMENT ET L'INSTATIONNARITE EXTERNE. LEURS CONSEQUENCES SUR LES CARACTERISTIQUES GLOBALES ET SUR LES STRUCTURES TURBULENTES SONT DISCUTEES. UNE ANALYSE PAR ORDRE DE GRANDEUR CONDUIT A UNE CLASSIFICATION DES PHENOMENES D'INTERACTION. L'INSTATIONNARITE INITIALE BALAIE L'ECOULEMENT DU JET TOUT EN ETANT GEREE PAR LUI-MEME. L'ADAPTATION LOCALE DE L'ECHELLE DE TEMPS DE LA DECROISSANCE DE LA VITESSE A L'ECHELLE DE TEMPS DU JET EST MISE EN EVIDENCE. LA REACTION DES STRUCTURES TURBULENTES EST ETUDIEE D'UNE FACON DETAILLEE. ENSUITE, LA CARACTERISATION DE L'EVOLUTION INSTATIONNAIRE DU CHAMP DE VITESSE SUR L'AXE DU JET EST PRESENTEE. LA PROPAGATION DE LA PERTURBATION, SA FORME ET SON TEMPS CARACTERISTIQUE SONT EN BON ACCORD AVEC LES RESULTATS D'UN MODELE ANALYTIQUE BASE SUR LES EQUATIONS SIMPLIFIEES DE COUCHE LIMITE. LES EVOLUTIONS TEMPORELLES AFFINES ET SYNCHRONISEES DE LA VITESSE MOYENNE ET DES COMPOSANTES FLUCTUANTES DE VITESSE ONT ETE MISES EN EVIDENCE. UNE INVERSION LOCALE DU SIGNE DE GRADIENT LONGITUDINAL DE LA VITESSE MOYENNE AXIALE LORS DE LA CHUTE, CREE UN DESEQUILIBRE DE LA TURBULENCE MENANT A UNE INVERSION DE LA CASCADE D'ENERGIE. L'EVOLUTION INSTATIONNAIRE TRANSVERSALE MONTRE UNE AUGMENTATION DE DIAMETRE DU JET D'ENVIRON 20 % PENDANT LA CHUTE DE VITESSE. CECI PEUT-ETRE DU A UN EFFET DE SILLAGE ET UN EFFET DE RETARD DE L'ACTIVITE DES GRANDES STRUCTURES GERANT L'ENTRAINEMENT DU JET. ENFIN, UN BILAN DE QUANTITE DE MOUVEMENT DANS LA ZONE AFFECTEE PAR L'INSTATIONNARITE EST EFFECTUE. L'EVOLUTION TEMPORELLE DU BILAN D'ENERGIE CINETIQUE ET DES TERMES DE PRODUCTION DES EQUATIONS DES TENSIONS DE REYNOLDS SONT PRESENTES. CE TRAVAIL CENTRE SUR L'ANALYSE FINE D'UN ECOULEMENT MODELE INSTATIONNAIRE NOUS PERMET D'UNE PART D'ACQUERIR UNE MEILLEURE COMPREHENSION PHYSIQUE DES INTERACTIONS ENTRE UN ECOULEMENT DU JET ET UNE FORTE INSTATIONNARITE EXTERNE IMPOSEE ET D'AUTRE PART DE FOURNIR UNE BASE DETAILLEE DE COMPARAISON POUR LES SIMULATIONS NUMERIQUES
Author: Samuel Davoust Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 193
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Cette thèse est une contribution à l'étude de la turbulence dans le champ proche de la sortie de jets, avec ou sans effets de rotation. Notre dispositif expérimental permet de générer un jet tournant qui se développe en formant une couche de mélange axisymétrique turbulente et dont le nombre de swirl peut être précisément fixé. L'écoulement est caractérisé par PIV stéréoscopique, avec un recours à des acquisitions à haute cadence de manière à résoudre la dynamique des grandes échelles de la turbulence. Nous avons proposé une méthode qui permet de déterminer la vitesse de convection des structures turbulentes et d'estimer la validité de l'approximation de Taylor. Cette étude démontre qu'il est ici légitime de décrire les structures spatiales de la turbulence à partir de mesures temporelle réalisées dans un plan transverse à l'écoulement. Dans le cœur du jet non tournant, une POD confirme la prédominance de modes m=0 et m=1 décrite dans de précédentes études. Le mode m=1 prend plus souvent la forme d'un battement que d'une hélice. Dans la couche de mélange, les tourbillons longitudinaux sont les structures dominantes. Une organisation sous forme de paires de signe opposé orientées radialement est mise en évidence par l'analyse des corrélations doubles de vorticité. L'étude des corrélations vorticité-vitesse donne la position préférentielle de ces tourbillons par rapport aux modes m=0 et m=1. Nous avons alors proposé un scénario d'interaction entre les modes m=0 et m=1, les tourbillons longitudinaux et le champ moyen. Lorsque le nombre de swirl augmente, le taux de croissance et l'énergie cinétique turbulente dans la couche de mélange du jet varient de manière non-monotone. Ceci est dû à des conditions initiales issues du mécanisme de mise en rotation, qui ont un effet contraire à celui de l'alignement du tenseur de Reynolds avec le tenseur des déformations. L'orientation des paires de tourbillons avec le swirl permet d'interpréter dynamiquement l'évolution du tenseur de Reynolds
Author: François Beaubert
Author: François Beaubert
Author: Cécile Joly
Author: Song Giang Le
Author: Ignace Befeno
Author: STEPHANE.. VIAZZO
Author: Nicolas Getin
Author: Ephi Maglaras
Author: GERALD.. URBIN
Author: Nidal Atassi
Author: Samuel Davoust