turbulent puffs in square duct flows : acoustic radiation and effects of curvature
Puffs turbulents en conduites carrées : rayonnement acoustique et effets de courbure
Résumé
The first occurrence of turbulence at low Reynolds number in pipe flows takes the form of streamwise localised patches named turbulent puffs.In the literature puffs are usually studied in the nominal conditions of incompressible flow in straight circular pipes.This thesis aims at investigating the influence that slight deviations from those nominal conditions have on puffs computed in a square duct configuration. For this purpose we introduce a slight curvature of the pipe on the one hand and we analyse the acoustic field of the puff on the other hand.Curvature effects are analysed by means of a laminar model obtained as an extension of the work by Dean.This model is validated against numerical and experimental literature data, providing satisfactory results. The turbulent puff in a curved pipe is computed with an additional set of equations based on scale separation, the curvature effects on turbulence are in qualitative agreement with the data available in the literature.The far-field noise field generated by a puff is computed by means of an acoustic analogy, in addition to characterising the acoustic field produced, this analysis excludes a role of acoustics in a hypothetical long range interaction between puffs.Moreover this study provides some elements to the literature concerning the role of the viscous stresses to the sound generation. This configuration provides a very well posed case for such analysis, since the effects of viscous stresses on acoustics are most visible at low Mach and Reynolds numbers.
L'apparition de la turbulence dans une conduite à faible nombre de Reynolds se localise sous la forme de puffs turbulents.Dans la littérature, les puffs sont classiquement étudiés dans des conditions nominales, qui correspondent à un écoulement incompressible dans une conduite droite de section circulaire.Cette thèse vise à étudier l'influence de faibles variations par rapport à ces conditions nominales. En particulier, on considère une conduite de section carrée et on introduit une faible courbure d'une part et on étudie le rayonnement acoustique d'autre part.Dans une première partie les caractéristiques du puff dans une conduite carrée sans courbure et sans effet de compressibilité sont présentées.Dans une seconde partie, les effets de courbure sont analysés à partir d'un modèle d'équations obtenu par une analyse dimensionnelle.Le modèle est validé pour des écoulements laminaires; les comparaisons par rapport à des données numériques et expérimentales de la littérature sont satisfaisantes.Le puff turbulent est calculé en utilisant deux systèmes d'équations couplés basés sur une séparation d'échelles. Les caractéristiques du puff turbulent sont qualitativement en accord avec les données publiées.Enfin, le bruit en champ lointain généré par le puff est calculé à l'aide d'une analogie acoustique, ce qui permet d'exclure un rôle possible de l'acoustique dans l'interaction à grande échelle entre les puffs.Cette étude fournit par ailleurs des résultats sur le rôle des contraintes visqueuses dans la génération de bruit.Cette configuration est en effets un cas très bien posé, car les effets des composantes visqueuses sur l'acoustique sont mieux visibles à faibles nombres de Mach et de Reynolds.
Origine : Version validée par le jury (STAR)