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Effets de la rotation sur un jet turbulent

Samuel Davoust3ème annéeDir. L. JacquinBourse DGA Ecole Doctorale Polytechnique

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Plan

• Contexte / Problématiques

• Moyens expérimentaux

• Effets du Swirl : croissance et turbulence

• Effets du Swirl : dynamique instationnaire

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Contexte

• Contexte Industriel• La propulsion, une application majeure de l’écoulement de jet:

Problématiques:

• Réduction du bruit émis

• Augmenter la discrétion thermique (mélange)

(AIRBUS / SAFRAN ) (DASSAULT / SAFRAN )

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Contexte

• Contexte Scientifique• Un écoulement prototype pour la turbulence et les instabilités

Visualisation par tomoscopie (DAFE)

Observation de

l’instabilité linéaire initiale

Structure cohérente

dans la zone turbulente

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Kelvin-Helmholtz (KH)

- Michalke (1984)

(KH), Centrifugal Instabilities, Kelvin Waves- Gallaire and Chomaz (2003)

Saturation of KH, rings and streamwise structures- Liepmann and Gharib (1992)

Helical modes and vortex breakdown- Liang and Maxworthy (2005)

Self similar growth and Coherent Structures-Tso and Hussain (1989)- Citrinity and George (2000)

More growth and different structures- Metha et al. (1991)- McIlwain and Pollard (2001)

Jet Jet Tournant

Instabilité

linéaire

Bas nombre

de Reynol

ds

Haut nombre

de Reynol

ds

Revue bibliographique des effets du swirl

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Déroulement de la thèse

• Expérience et Métrologie• Mise en place d’un écoulement de jet tournant à haut Reynolds• Utiliser et valider expérimentalement l’outil FOLKI-PIV • Participer à la mise en place de la PIV résolue en temps

• Objectifs• Mieux comprendre les effets de la rotation sur cet écoulement• Décrire la dynamique instationnaire de la turbulence de jet

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Moyens expérimentaux

• Soufflerie R4Ch, ONERA / DAFE, Meudon

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• Condition en sortie

Profils de vitesse en sortie de jet Vitesse de rotation solide en fonction de S

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• Montage expérimental de la PIV stéréo:

Nappe Laser

Soufflerie

Plaque de calibration

Caméra 2

Caméra 1

Axe du jet

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• Campagnes de PIV Stéréo, et PIV Stéréo Haute Cadence

Schéma des différents plans PIV

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Effets du Swirl : croissance et turbulence

• Effet du swirl sur le developpement du jet:

S=0

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S=0.2


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S=0.4


14


S=0.6


15


S=0.8


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• Variations du taux de croissance et de l’énergie cinétique turbulente maximale de la couche de mélange:

z=1 z=2

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• Augmentation de la production d’energie cinétique turbulente

• En terme de la courbure locale Rc:


Rapport épaisseur / courbure

Transport turbulent

ProductionDissipation

Terme de Production:

Energie cinétique turbulente:

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Alignement du tenseur de Reynolds avec la Déformation

S=0 S=0.6

• Augmentation de la production: explication• Directions propres des tenseurs de Reynolds et de

Déformation

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• Augmentation de la production: explication• Renforcement de l’anisotropie du tenseur de Reynolds


Rapport épaisseur sur courbure

Evolution de la 1ere valeur propre du tenseur de

Reynolds:

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Effets du Swirl : dynamique instationnaire

• Résultat brut de PIV: séquence de champs de vecteurs

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• Description du champ de vitesse

Spectre temporel: comparaison PIV RT– Fil Chaud

θ

u(r,θ,t)

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• Réduction de la dynamique instationnaire (S=0)

Mode m=0 (analyse POD)

Trace d’un tourbillon de vorticité axiale (Cliché PIV)

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Conclusion

• Travaux en cours sur cet aspect : Effet du swirl

• Les effets de la rotation pourront permettre de mieux comprendre les interactions entre les mécanismes physiques à l’oeuvre dans un jet

Champ moyen

Oscillation du coeur du jet

Structures turbulentes

Instabilités linéaires Méchanisme d’étirement,Instabilités secondaires

Dissipation, transport…:Mélange et croissance

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• Formations:• Instabilities and control of shear flows. P.Huerre, P.Schmid, Ecole

Polytechnique, (’08).• Propriété Intellectuelle et brevets. J. Schmitt, (’10).

• Enseignements:• ENSTA-Paristech : Travaux dirigés• Ecole Polytechnique : Travaux pratiques en soufflerie

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• Conférences:• Motion of a sphere suspended in a turbulent jet. S. Davoust and L.

Jacquin. Turbulence and Shear Flow Phenomena (TSFP 6), June 09, Seoul, South Korea.

• Effect of swirl on the turbulent axisymmetric mixing layer. S. Davoust, B. Leclaire and L. Jacquin. Euromech Fluid Mechanics Conference (EFMC 8), September 10, Bad Reichenhall, Germany.

• Effect of swirl on the axisymmetric mixing layer. S. Davoust, B. Leclaire and L. Jacquin. Turbulence and Shear Flow Phenomena (TSFP 7), July 11, Ottawa, Canada.

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• Publications:• Increasing PIV computation speed using highly parallel iterative

correlation maximization. F. Champagnat, A. Plyer, G. Le Besnerais, B. Leclaire, S. Davoust and Y. Le Sant. Accepted for publication in Experiment in Fluids

• FOLKI-SPIV: a new, ultra-fast approach for Stereo PIV. B. Leclaire, Y. Le Sant, S. Davoust, F. Champagnat and G. Le Besnerai . In revision for publication in Experiment in Fluids.

• Taylor’s hypothesis convection velocity from mass conservation equation. S. Davoust and L. Jacquin. Submitted to Physics of Fluids.

• En préparation:• The dynamics of m=0 and m=1 modes and of streamwise vortices in a

turbulent axisymmetric mixing layer. • Effect of swirl on a turbulent axisymmetric mixing layer.

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