Experimental study of a Jet in Crossflow at low velocity ratios using volumetric velocimetry.

Étude par vélocimétrie volumique d'un jet dans un écoulement transverse à faibles ratios de vitesses.

Tristan Cambonie (1)

1 PMMH - Physique et mécanique des milieux hétérogenes (UMR 7636)

This thesis is dedicated to the experimental study of a Jet In Cross-Flow (JICF). The flow is monophasic and isothermal. The velocity ratio (VR) between jet and cross-flow velocities is low (0.15 < VR < 3), and the jet exit is flush at the wall. Diverse jet geometries are considered: circular, elliptic, rectangular, and winglet. This study was realized in hydraulic channel using a new optical velocimetry method (V3V) which provides accurate measurements of the 3 components of the instantaneous velocity field. The whole experimental process was optimized. The physics of the JICF is investigated by means of the average and instantaneous fields, through their statistics and using a spatial follow-up of the main vortical structures. The influence of the VR on the flow topology is analyzed, and highlights the existence of a blowing transition at very low velocity ratio. We analyze in detail the trajectories swirling intensities of the main vertical structures, and a new scaling of trajectories, taking into account the boundary layer, is proposed. These results facilitate the interpretation of the elliptic and rectangular, straight and skewed JICF physics. The study of the half-winglet geometry allowed for an analysis of the winglet configuration, and a better comprehension of their effects on the boundary layer. All these results allows for a better understanding of the jet in cross-flow physic at low velocity ratios. They should also be useful for flow control experiments, by providing quantitative criteria to choose the relevant physical and geometrical parameters for vortex generators design.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale d'un jet en interaction avec un écoulement transverse de paroi (Jet In Cross-Flow, JICF). L'écoulement est monophasique et isotherme. Le ratio des vitesses (VR) de jet et d'écoulement est bas, et le jet est affleurant à la paroi, avec des géométries d'injection diverses : circulaires, elliptiques, rectangulaires, et chevrons. Cette étude a été réalisée en canal hydraulique à l'aide d'une méthode de vélocimétrie volumique optique (V3V) qui permet la mesure instantanée des 3 composantes du champ de vitesses, et l'ensemble du processus expérimental a été optimisé. La physique du JICF est analysée à l'aide des champs moyen et instantané, de statistiques et du suivi spatial de structure tourbillonnaire cohérentes. L'influence du VR sur la topologie d'écoulement est étudiée, et met en évidence l'existence d'une transition de soufflage à très bas ratios de vitesse. Nous étudions en détail les trajectoires et l'évolution des intensités tourbillonnaires des vortex composant le JICF, et un nouveau scaling de trajectoire est proposé. Les outils développés pour l'analyse du JICF rond ont été appliqués aux JICF non circulaires. La géométrie d'injection chevron conserve à la fois une intensité tourbillonnaire élevée et une trajectoire basse de jet, maximisant ainsi l'effet sur la couche limite. L'ensemble de ces résultats permettent une meilleure connaissance des jets transverses à bas VR, et seront très utiles pour la conception d'expériences de contrôle d'écoulement, en apportant des critères quantitatifs pour choisir les bons paramètres physiques et géométriques définissant les générateurs de vortex fluidiques.

Mots clés: Jet in cross-flow at low velocity ratios; boundary layer; Volumetric velocimetry method; Measurement optimization; Time-avergaed and instantaneous 3D swirling structures; Counter-rotating vortex pair; Topological transition; Trajectory and swirling intensity of the counter-rotating vortex pair

Mots clés: Jet transverse à bas ratios de vitesses; Couche limite; Vélocimétrie volumique; Optimisation de la mesure; Structures tourbillonnaires 3D instantanées et moyennes; Paire de tourbillons contra-rotatifs; Transition topologique; Trajectoire de jet et intensité tourbillonnaire

Domaines: Mécanique des fluides [physics.class-ph]; Mécanique des fluides [physics.class-ph]

Tristan Cambonie. Étude par vélocimétrie volumique d'un jet dans un écoulement transverse à faibles ratios de vitesses.. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2012. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00795587⟩