Effets de la rotation sur un jet turbulent Samuel Davoust 3ème année Dir. L. Jacquin Bourse DGA Ecole Doctorale Polytechnique

Plan Contexte / Problématiques Moyens expérimentaux Effets du Swirl : croissance et turbulence Effets du Swirl : dynamique instationnaire

Contexte Contexte Industriel La propulsion, une application majeure de l’écoulement de jet: (AIRBUS / SAFRAN ) (DASSAULT / SAFRAN ) Problématiques: Réduction du bruit émis Augmenter la discrétion thermique (mélange)

Contexte Contexte Scientifique Un écoulement prototype pour la turbulence et les instabilités Structure cohérente dans la zone turbulente Observation de l’instabilité linéaire initiale Visualisation par tomoscopie (DAFE)

Revue bibliographique des effets du swirl Jet Jet Tournant 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) Instabilité linéaire Bas nombre de Reynolds Haut nombre de Reynolds

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

Moyens expérimentaux Soufflerie R4Ch, ONERA / DAFE, Meudon

Vitesse de rotation solide en fonction de S Moyens expérimentaux Condition en sortie Profils de vitesse en sortie de jet Vitesse de rotation solide en fonction de S

Moyens expérimentaux Montage expérimental de la PIV stéréo: Axe du jet Caméra 2 Caméra 1 Plaque de calibration Soufflerie Nappe Laser

Moyens expérimentaux Campagnes de PIV Stéréo, et PIV Stéréo Haute Cadence Schéma des différents plans PIV

Effets du Swirl : croissance et turbulence Effet du swirl sur le developpement du jet: S=0

Effets du Swirl : croissance et turbulence Effet du swirl sur le developpement du jet: S=0.2

Effets du Swirl : croissance et turbulence Effet du swirl sur le developpement du jet: S=0.4

Effets du Swirl : croissance et turbulence Effet du swirl sur le developpement du jet: S=0.6

Effets du Swirl : croissance et turbulence Effet du swirl sur le developpement du jet: S=0.8

Effets du Swirl : croissance et turbulence Variations du taux de croissance et de l’énergie cinétique turbulente maximale de la couche de mélange: z=1 z=2

Effets du Swirl : croissance et turbulence Augmentation de la production d’energie cinétique turbulente En terme de la courbure locale Rc: Energie cinétique turbulente: Dissipation Transport turbulent Production Terme de Production: Rapport épaisseur / courbure

Effets du Swirl : croissance et turbulence Augmentation de la production: explication Directions propres des tenseurs de Reynolds et de Déformation S=0.6 S=0 Alignement du tenseur de Reynolds avec la Déformation

Effets du Swirl : croissance et turbulence Augmentation de la production: explication Renforcement de l’anisotropie du tenseur de Reynolds Evolution de la 1ere valeur propre du tenseur de Reynolds: Rapport épaisseur sur courbure

Effets du Swirl : dynamique instationnaire Résultat brut de PIV: séquence de champs de vecteurs

Effets du Swirl : dynamique instationnaire Description du champ de vitesse u(r,θ,t) θ Spectre temporel: comparaison PIV RT– Fil Chaud

Effets du Swirl : dynamique instationnaire Réduction de la dynamique instationnaire (S=0) Trace d’un tourbillon de vorticité axiale (Cliché PIV) Mode m=0 (analyse POD)

Structures turbulentes Oscillation du coeur du jet 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 Dissipation, transport…: Mélange et croissance Champ moyen Structures turbulentes Méchanisme d’étirement, Instabilités secondaires Instabilités linéaires Oscillation du coeur du jet

Formations: Enseignements: 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

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.

Publications: En préparation: 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.