Theoretical and Experimental Study of a rotating flow in a duct.
Etude théorique et experimentale d'un écoulement tournant dans une conduite.
Résumé
This thesis is a contribution to the study of rotating flow dynamics at high Reynolds number. It aims at explaining the destabilization, for a sufficiently high swirl number, of a uniformly rotating flow developing in a cylindrical duct of constant cross-section followed by a contraction, and exhausting as a swirling jet. The first part of the thesis focuses on the corresponding turbulence that is observed in the jet exit plane. Hot-wire anemometry measurements, performed for different contraction ratios of the final duct portion, confirm that the origin of the turbulence has to be mainly sought in the duct flow and not in the jet. The second part thus investigates this flow through a bibliographic and theoretical study. It is first shown that the contraction may strongly affect the flow upstream of it when it is subcritical with respect to inertial (or Kelvin) axisymmetric waves. Using an inviscid axisymmetric model, we then study the in! fluence on the flow of the contraction ratio and of the upstream boundary conditions in the transcritical regime. A wall recirculation is seen to occur inside the contraction near the critical swirl. In the third part the duct flow is investigated by stereoscopic PIV. Comparison of these measurements with a numerical simulation of axisymmetric flow at a moderate Reynolds number reveals a new kind of transition towards subcritical flow. The contraction is seen to suppress vortex breakdown in favor of large-amplitude standing axisymmetric inertial waves. Finally, small-scale centrifugal instabilities and a global axisymmetric instability are identified as possible sources of turbulence.
Cette thèse est une contribution à l'étude de la dynamique des écoulements tournants de grand nombre de Reynolds. Elle vise à expliquer la déstabilisation, à nombre de swirl élevé, d'un écoulement en rotation solide se développant dans une conduite cylindrique de section constante puis contractante, et débouchant en un jet. On caractérise d'abord la turbulence qui en résulte dans le plan de sortie du jet. Des mesures par anémométrie fil chaud, effectuées en faisant varier le taux de contraction final, confirment que l'origine de cette turbulence doit être principalement recherchée dans l'écoulement de conduite et non dans le jet. On montre ensuite par une étude bibliographique que l'écoulement à l'amont de la contraction peut être fortement affecté par celle-ci lorsqu'il est s! ous-critique vis-à-vis des ondes inertielles (ou ondes de Kelvin) axisymétriques. A l'aide d'un modèle de fluide parfait axisymétrique, on étudie alors l'influence du taux de contraction et des conditions aux limites amont au régime transcritique. On montre l'apparition d'une recirculation de paroi dans la contraction. On explore ensuite l'écoulement de conduite par PIV stéréoscopique, et on compare ces mesures avec une simulation numérique axisymétrique à nombre de Reynolds modéré. En présence d'une contraction finale, on constate une dynamique nouvelle puisque la transition critique est franchie sans éclatement tourbillonnaire. On observe à la place des ondes inertielles axisymétriques stationnaires de grande amplitude. On montre finalement que des instabilités centrifuges de petite échelle ainsi qu'une instabilité global! e axisymétrique peuvent participer à la créatio! n de tur bulence.