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Dissertations / Theses on the topic 'Coaxial jet'
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Pietroniro, Asuka Gabriele. "Modelling coaxial jets relevant to turbofan jet engines." Thesis, KTH, Mekanik, 2016. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-200909.
Full textAbstract:
Simulations of subsonic turbulent coaxial hot jets were conducted on two types ofunstructured grids within the framework of STAR-CCM+. The study case is based on atypical airliner turbofan engine model with a core nozzle and a fan nozzle, having a bypassratio of five. The two meshes used are a polyhedral one, suitable for complex surfaces, and atrimmed one mainly made of hexahedral cells. The sensitivity of the study case to variousinputs is attested using second and third order upwind schemes, modelling turbulence with aSST k-omega model. The project proves to be a valid feasibility study for a steady-statesolution on which an aeroacoustic analysis could be based in future works.
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Pietroniro, Asuka Gabrielle. "Modelling coaxial jets relevat to turbofan jet engines." Thesis, KTH, Mekanik, 2016. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-204020.
Full textAbstract:
Simulations of subsonic turbulent coaxial hot jets were conducted on two types ofunstructured grids within the framework of STAR-CCM+. The study case is based on atypical airliner turbofan engine model with a core nozzle and a fan nozzle, having a bypassratio of five. The two meshes used are a polyhedral one, suitable for complex surfaces, and atrimmed one mainly made of hexahedral cells. The sensitivity of the study case to variousinputs is attested using second and third order upwind schemes, modelling turbulence with aSST k-omega model. The project proves to be a valid feasibility study for a steady-statesolution on which an aeroacoustic analysis could be based in future works.Simuleringar av subsoniska turbulenta koaxiala varma flöden genomfördes på två typer avostrukturerade nät inom ramen för STAR-CCM+. Studiefallet är baserat på en modell av enturbofläktmotor för ett typiskt trafikflygplan, med en inre samt yttre dysa och med ett bypassförhållandeav fem. De två beräkningsnät som används är ett polyedriskt nät, lämplig förkomplexa ytor, och ett trimmat nät huvudsakligen uppbyggt av sexsidiga celler. Känslighetenav studiefallet beroende på olika indata intygas med hjälp av andra och tredje ordningens”upwind-schemes”, där turbulensen modelleras med en SST k-omega modell. Projektet visarsig vara en giltig förstudie för en steadystate-lösning på vilken en aeroakustisk analys skullekunna baseras i framtida arbeten.
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Peker, Ekim Atilla. "Momentum Exchange In Coaxial Jet Flows." Master's thesis, METU, 2005. http://etd.lib.metu.edu.tr/upload/12606801/index.pdf.
Full textAbstract:
Coaxial jet flows have a considerable practical application area as water jet pumps. Efficiency of such systems is affected by complex turbulence mechanisms and large-scale vortex structures formed in the mixing regions. An experimental setup is constructed to estimate the momentum exchange rates and mixing of the two jet flows from the coaxial pipes. Pressure distributions along the mixing pipe wall are measured for different flow ratios of the jets. In addition to present experiments, numerical data of two experimental studies from the literature are considered as test cases. Numerical solutions for the test cases are obtained using FLUENT. Experimental and numerical results are compared and adequacy of FLUENT solution is illustrated.
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Sapède, Jimmy. "Etude expérimentale et numérique d'un jet coaxial rectangulaire." Valenciennes, 2002. https://ged.uphf.fr/nuxeo/site/esupversions/c997d82d-7eeb-4f73-ac06-810bc3ffc331.
Full textAbstract:
Inscrit dans un projet de modélisation de la combustion du charbon pulvérisé dans les grands foyers à chauffe tangentielle réalisé en partenariat avec l'ADEME et la société ALSTOM Power, ce travail se focalise sur la connaissance des caractéristiques dynamiques de l'écoulement se développant dans de tels foyers. En particulier, les conditions initiales de l'écoulement définies par les brûleurs, jouent un rôle prépondérant. Un brûleur matérialisé par un jet complexe, est étudié de façon expérimentale et numérique. La revue bibliographique s'attache au détail de plusieurs caractéristiques propres à cette étude comme l'aspect coaxial, l'influence de l'introduction d'un gradient de masse volumique sur la redistribution du champ de vitesse ainsi que l'effet d'une géométrie rectangulaire sur le développement d'un jet libre. L'étude se focalise ensuite sur un fonctionnement en régime coaxial. Les mesures mettent en évidence des propriétés communes avec les jets coaxiaux circulaires comme l'existence d'un régime recirculant auto-entretenu. L'effet de la géométrie se manifeste tout particulièrement au travers de la morphologie de la région potentielle du jet. En complément, une étude numérique est réalisée à l'aide du code de calcul Fluent qui montre les limites de la modélisation employant des modèles de type moyenne de Reynolds classiques. Enfin, deux régimes spéciaux issus de l'industrie caractérisés par la mise en service de tous les injecteurs et pour un, par l'injection de dioxyde de carbone dans la partie centrale du jet, sont ensuite étudiés. Les données expérimentales en régime hétérogène ont été obtenues par l'emploi d'une sonde thermo-anémométrique spéciale. L'influence du gradient de masse volumique ainsi que la redistribution de masse volumique dans les couches de mélange sont analysées à l'aide de cet instrument. Enfin, une campagne de simulations numériques employant une modélisation aux grandes échelles est réalisée à partir de ces deux écoulements. Les résultats issus de ces simulations s'accordent correctement aux mesures. La validation de cette procédure de calcul permet d'exploiter les SGE pour analyser les propriétés de mélange et de transfert de masse dans le jetWithin a tangetially fired coal combution boilers modelisation project conducted in association with ADEME and ALSTOM Power, this work focuses on the dynamic characteristics of the flow inside the boilers. Initial conditions of the flow, are set by the burners. One burner is scaled down and experimentally and numerically studied. The bibliography focuses on particularities such as the coaxial aspect, the rectangular geometry and the influence of density variations onver the jet spreading. First part of the study deals with the coaxial regimes. Similarities with rectangular coaxial jets such as the auto-oscillating regime are pointed out experimentally. The influence of the geometry on the potential core morphology is also highlighted. In addition, a numerical study is lead with the Fluent CFD code using Reynolds averaged classical models. Then two specific regimes, issued from the industry are studied. Both uses four jets and one also involves a density gradient in the central part of the jet. Experimental evidences of the influence of the density gradient on the flowfield are obtained with a specially designed double howires probe. Finally a numerical simulation campaign is conducted using Large Eddy Simulations models. Good agreement with experimental data is found and LES results aare exploited to further explore the mixing ans the mass transfert properties of the jet
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Taylor, Mark Victor. "Acoustic and instability properties of coaxial jet flows." Thesis, University of Leeds, 1990. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.238545.
Full text
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Monoté, Guy. "Atomisation d'un jet liquide par un jet de gaz coaxial : analyse du mélange." Poitiers, 1994. http://www.theses.fr/1994POIT2286.
Full textAbstract:
Cette etude contribue a la modelisation de la pulverisation d'un jet liquide par un jet de gaz coaxial. La configuration de jets diphasiques mise en place est une simulation de l'injection coaxiale generee avec de l'oxygene liquide lox et de l'hydrogene gazeux gh#2 dans le moteur cryotechnique vulcain de la fusee ariane v. La visualisation de jets d'eau ou de solutions aqueuses d'un tensioactif, assistes par des jets d'air, par l'intermediaire d'une nappe laser stroboscopee, fournit des photographies utiles a la comprehension de la structure des jets coaxiaux. Les mesures du taux de presence de liquide, effectuees au moyen d'une fibre optique, dans la zone dense des pulverisations, ont permis de mettre en evidence l'interaction entre les deux ecoulements adjacents. En particulier, elles montrent que le gaz penetre tres tot dans le liquide en formant une surface d'echange complexe. D'autre part, ces mesures ont rendu possible la classification des jets coaxiaux liquide/gaz en deux regimes d'ecoulement distincts, fonctions des conditions initiales d'injection. La mise en equation du taux de presence axial de liquide dans le voisinage de l'injecteur nous a conduit a proposer une correlation destinee a la prediction de la longueur de rupture du jet diphasique. Un analyseur de particules par la methode des phases doppler (pdpa) a servi a l'exploration de la zone diluee des jets. La taille des gouttes, leur vitesse axiale moyenne ou fluctuante ont ete determinees. Enfin, une premiere approche du bilan de masse montre que la zone centrale dense des jets coaxiaux se caracterise par un glissement entre les phases
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Tsioli, Ellie. "Investigation of indeterminate-origin coaxial nozzles for jet-mixing enhancement purposes." Thesis, University of Liverpool, 2011. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.539572.
Full text
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Gilson, Laura (Laura Marie). "Characterization of mixing in a coaxial jet mixer for nanoparticle fabrication." Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2013. http://hdl.handle.net/1721.1/83717.
Full textAbstract:
Thesis (S.B.)--Massachusetts Institute of Technology, Department of Mechanical Engineering, 2013.Cataloged from PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (pages 23-24).
Mixing in a micro-scale coaxial turbulent jet mixer for the fabrication of nanoparticles for drug delivery was experimentally characterized. Rapid mixing due to turbulence offers improved control of nanoparticle production over conventional bulk nanoprecipitation methods. Mixing time was determined based on photographs of mixing of an acidic solution and a basic solution in the device, with phenolphtalein used as an indicator of the extent of mixing. The average Reynolds number and velocity ratio were varied. The velocity ratio varied between 0.1 and 10. The Reynolds number varied between 200 and 1800. Mixing times on the order of 1 to 50 ms were measured in the device. The mixing time was found to be proportional to average velocity to the -3/2 power. The data showed some agreement with predicted mixing time based on the EDD model for turbulent micromixing in the jetting regime.
by Laura Gilson.
S.B.
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Preston, Giles Andrew. "Modelling sound source regions for the prediction of coaxial jet noise." Thesis, University of Southampton, 1995. https://eprints.soton.ac.uk/173779/.
Full text
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Gabzdyl, Jacek Tadeusz. "The effect of laser mode and coaxial gas jet on laser cutting." Thesis, Imperial College London, 1989. http://hdl.handle.net/10044/1/7319.
Full text
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Coleman, Mathew Riley. "Design and Characterization of a Coaxial Plasma Railgun for Jet Collision Experiments." Thesis, Virginia Tech, 2021. http://hdl.handle.net/10919/102740.
Full textAbstract:
Plasma railguns are electromagnetic accelerators used to produce controlled high velocity plasma jets. This thesis discusses the design and characterization of a small coaxial plasma railgun intended to accelerate argon-helium plasma jets. The railgun will be used for the study of plasma shocks in jet collisions. The railgun is mounted on a KF-40 vacuum port and operated using a 90 kA, 11 kV LC pulse forming network. Existing knowledge of coaxial railgun plasma instabilities and material interactions at vacuum and plasma interfaces are applied to the design. The design of individual gun components is detailed. Jet velocity and density are characterized by analyzing diagnostic data collected from a Rogowski coil, interferometer, and photodiode. Peak line-integrated electron number densities of approximately 8 × 1015 cm-2 and jet velocities of tens of km/s are inferred from the data recorded from ten experimental pulses.Master of Science
Plasma is a gaseous state of matter which is electrically conductive and interacts with electric and magnetic fields. Plasmas are used in many everyday objects such as fluorescent lights, but some of the physics of plasmas are still not entirely understood. One set of plasma interactions that have not been fully explored are those which occur during high-velocity collisions between plasmas. Experiments aimed to further the understanding of these interactions require the generation of plasmas with specified properties at very high velocities. A device known as a plasma railgun can be used to produce plasmas which meet these experimental demands. In a plasma railgun, a short pulse of current is passed through a plasma located between two parallel electrodes, or "rails". This current generates a magnetic field which propels the plasma forward. The plasma is accelerated until it leaves the muzzle of the railgun. In coaxial plasma railguns, the electrodes are concentric. This paper discusses the design and testing of a small, relatively low power coaxial plasma railgun. Specific elements of the design are examined and the inherent physical and material difficulties of a coaxial design are explored. The experiment which was performed to confirm the properties of the plasma jets produced by the coaxial plasma railgun is explained. The results of this experiment confirm that the design succeeds in producing plasmas which meet targets for plasma properties.
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Dinger, Matthew J. "Experimental study of the three-stream scalar mixing in a turbulent coaxial jet." Connect to this title online, 2009. http://etd.lib.clemson.edu/documents/1249066149/.
Full text
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Davis, Staci Ann. "The manipulation of large- and small-scale flow structures in single and coaxial jets using synthetic jet actuators." Diss., Georgia Institute of Technology, 2000. http://hdl.handle.net/1853/17313.
Full text
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Le, Visage David. "Pulvérisation d'un jet issu d'un injecteur coaxial assisté : géométrie de l'injecteur, modélisation et approche cryogénique." Poitiers, 1996. http://www.theses.fr/1996POIT2258.
Full textAbstract:
Dans le cadre de la recherche appliquee au moteur cryotechnique vulcain d'ariane v, cette etude porte sur la caracterisation en fluides simules eau/air de la pulverisation d'un jet issu d'un injecteur coaxial assiste. La zone dense est etudiee par une fibre optique donnant acces au taux de presence du liquide (tpl). La vitesse et la taille des particules sont detectees en zone diluee par un analyseur de particule a effet doppler (pdpa). Un plan laser pulse est utilise pour visualiser et interpreter les mecanismes. Le non-respect du critere d'ecoulement de liquide pleinement developpe amplifie la turbulence du liquide qui, des son ejection, se rompt sans modifier cependant la taille des particules formees. La mise en retrait du tube de liquide par rapport a celui du gaz ameliore le melange par une amplification dans le champ proche du transfert de quantite de mouvement. L'augmentation de l'epaisseur de la couronne gazeuse ameliore la pulverisation par un prolongement de la cinetique d'arrachage avec toutefois un risque d'apparition de confinement de la pulverisation. Chacun de ces mecanismes est ensuite modelise par son influence sur la longueur de rupture. Un modele integral, base sur les lois de conservation, sert a predire le flux de liquide atomise sur une section du jet. Il utilise, en complementarite, les donnees du pdpa et de la fibre optique. Un profil de vitesse du liquide du type abramovich et un critere de taux de presence de liquide inferieur a 0,5 pour definir la zone atomisee constituent les hypotheses du modele. L'analyse par fibre optique d'un jet d'oxygene liquide brosse par un gaz inerte nous a permis de caracteriser la longueur de rupture. L'utilisation de trois differents gaz coaxiaux permet de penser qu'au terme de rapport initial des densites de flux de quantite de mouvement gaz/liquide, il faille adjoindre le rapport des masses volumiques pour une representation plus complete
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Xu, Hongyi. "Large eddy simulation of turbulent flows in square and annular ducts and confined square coaxial jet." Thesis, National Library of Canada = Bibliothèque nationale du Canada, 1998. http://www.collectionscanada.ca/obj/s4/f2/dsk2/tape17/PQDD_0006/NQ27860.pdf.
Full text
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Luu, Van Chi. "Numerical study of the reactive flow in a two-stream, coaxial-jet, axisymmetric bluff-body combustor." Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 1996. http://hdl.handle.net/1721.1/39617.
Full text
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Rejent, Andrew. "Experimental Study of the Flow and Acoustic Characteristics of a High-Bypass Coaxial Nozzle with Pylon Bifurcations." University of Cincinnati / OhioLINK, 2009. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=ucin1250272655.
Full text
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Odier, Nicolas. "Simulation numérique de jets liquides cisaillés par une phase rapide : dynamique de battement à grande échelle et intéraction avec les structures tourbillonnaires." Thesis, Grenoble, 2014. http://www.theses.fr/2014GRENI068/document.
Full textAbstract:
L'injection d'un mélange carburant/comburant dans une chambre de combustion d'un turboréacteur ou d'un moteur-fusée fait intervenir un jet liquide, cisaillé par un gaz rapide. Le jet liquide peut être sous certaines conditions sujet à un phénomène de battement à grande échelle. Ce phénomène, dont les mécanismes de base sont aujourd'hui mal connus, peut avoir des conséquences importantes sur la combustion. Nous réalisons dans ce travail une étude numérique de jets liquides cisaillés par une phase rapide, en portant une attention particulière à l'étude de l'interaction entre les structures tourbillonnaires de la phase rapide et le jet liquide. Une nappe liquide plane cisaillée de part et d'autre par une phase rapide est analysée dans un premier temps . Les mécanismes de déstabilisation de cette nappe liquide sont étudiés, ainsi que le contrôle passif du phénomène de battement. Des jets liquides coaxiaux, cisaillés par une couronne de phase rapide, sont ensuite analysés. Les mécanismes de déstabilisation à grande échelle sont étudiés, ainsi que le contrôle passif et actif de cette déstabilisation. La simulation d'une configuration d'écoulement réaliste eau/air est enfin réalisée, en interaction avec les expérimentateurs du LEGI. Une attention particulière est portée à l'écoulement se produisant au sein de la buse d'injectionFuel injection in an aircraft engine or in a rocket engine involves a liquid jet sheared by a high-velocity gas. The liquid jet can display, under some specific conditions, a flapping motion. This flapping motion, the basic mechanisms of which are still poorly understood, can significantly impact the combustion process. We perform in this work a numerical study of liquid jets interacting with a high-speed stream and focus on the interactions between the vortical structures in this high-speed stream and the liquid jet. A plane liquid jet surrounded by two high-speed streams is first analysed. The mechanisms leading to the flapping motion are studied, as well as the passive control of this instability. A liquid coaxial jet, sheared by an annular high speed stream, is next analysed. The mechanisms leading to the flapping motion are also analysed, as well as passive and active strategies for controlling this instability. Finally, we perform simulations of an experimental set-up studied at LEGI, focusing on the flow inside the nozzle
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Boussafeur, Kaci. "Étude expérimentale de l'écoulement turbulent pariétal produit par l'impact d'un jet frappant normalement un disque coaxial en rotation." Lille 1, 1989. http://www.theses.fr/1989LIL10011.
Full text
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Silas, Kevin Alexander. "Phase Transform Time Delay Estimation to Counteract Spectral Haystacking Effects in Jet Exhaust Flow Measurements." Thesis, Virginia Tech, 2021. http://hdl.handle.net/10919/104892.
Full textAbstract:
This study determined a superior data processing technique for correlating an acoustic signal passing through a subsonic jet engine exhaust in order to estimate the traversal time of the signal. Thrust measurement is possible with enough time delay estimates across different portions of the exhaust. This preliminary study did not take the full array of data necessary to measure thrust, but did validate key aspects of the measurement process. The turbulent shear layers of the exhaust spectrally broaden the signal, creating the appearance of spectral "haystacks", making traditional correlation methods unworkable. An experiment was performed to evaluate the ability of a novel sound source to produce a signal from which a reliable and precise time delay estimate could be found. The test apparatus was installed on either side of a Honeywell TFE731-2 turbofan research engine exhaust cone, with the source and receivers placed near the jet exit plane. The signal was then directed across the jet exhaust. This flow environment is considered an extreme challenge for accurate acoustic signal propagation. A key contribution of this paper is the determination that the Phase Transform processor of the Generalized Cross-Correlation (GCC) method produces the most reliable time delay estimates, for the given signal and flow conditions. Several alternative time delay estimators and GCC processors were examined and evaluated on this data. A proposed explanation is provided for why this time delay estimation technique produces the most accurate results, as well as explanations for why the technique became less reliable as the flow environment became more challenging, with an observed 22% anomalous TDE selection rate for the N1Corr = 60% and N1Corr = 70% conditions combined, versus only 6% for the idle and N1Corr = 50% conditions combined. This paper also details the development and first use of a novel acoustic source that produces a two-tone narrowband signal emanating from a single point – the dual Hartmann generator.Master of Science
This study builds on a Computational Tomography (CT) technique that uses an acoustic signal and an array of receivers to measure the velocity and temperature of a gas flow field. In particular, the velocity and temperature field tested involves multiple turbulent and disruptive elements, requiring a loud and specifically designed signal. As such, a novel acoustic signal generator, the dual Hartmann generator, was designed that is both loud and produces a specific two-toned signal. The key contribution of the study was to process the data, comparing the sets of transmitted and received signals, in order to estimate the time delay amongst receiver pairs – a key input in the CT method. Traditional cross-correlation methods were inadequate, and multiple alternatives were evaluated. The Phase Transform (PHAT) technique showed the most promise, and an explanation is given for why this technique is most suitable for this type of signal.
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Ablitzer, Carine. "Etude de la formation de poudre dans des jets coaxiaux réactifs." Phd thesis, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, 1999. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00822392.
Full textAbstract:
L'une des étapes du procédé de conversion de l'UF6 gazeux en UO2 solide par voie sèche est la formation de poudre d'UO2F2 dans un jet coaxial triple UF6/N2/H2O. Les caractéristiques de la poudre obtenue ont ensuite une influence sur les propriétés des pastilles d'UO2 utilisées en réacteur nucléaire, d'où l'intérêt d'une bonne maîtrise de cette étape du procédé. L'étude présentée a pour but d'évaluer expérimentalement et de modéliser l'effet de divers paramètres sur les particules formées dans un jet coaxial turbulent suite à une réaction. On s'est notamment intéressé à l'influence sur les distributions granulométriques des vitesses absolues et relatives des gaz constituant le jet. Deux types d'études expérimentales ont été réalisés. Le développement des couches de mélange dans la région initiale du jet a d'abord été évalué à l'aide de mesures de température. des mesures de distributions granulométriques par turbidimétrie ont ensuite permis d'étudier les particules formées lors de l'hydrolyse de chlorures métalliques gazeux (SnCl4, TiCl4) dans un jet coaxial double ou triple. Une modélisation des phénomènes de mélange et de précipitation a été proposée. Elle prend notamment en compte le développement des couches de mélange, le mésomélange, le micromélange et la croissance des particules par agglomération. L'influence des paramètres opératoires, et en particulier des vitesses, apparaît différente pour les jets TICl4/H2O ET SnCl4/H2O. Une comparaison des résultats théoriques et expérimentaux semble indiquer que les particules formées par hydrolyse de TiCl4 croissent essentiellement par agglomération alors qu'un autre phénomène de croissance parait impliqué pour les particules issues de l'hydrolyse de SnCl4.
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Örlü, Ramis. "Experimental studies in jet flows and zero pressure-gradient turbulent boundary layers." Doctoral thesis, KTH, Mekanik, 2009. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-10448.
Full textAbstract:
This thesis deals with the description and development of two classical turbulent shear flows, namely free jet and flat plate turbulent boundary layer flows. In both cases new experimental data has been obtained and in the latter case comparisons are also made with data obtained from data bases, both of experimental and numerical origin. The jet flow studies comprise three parts, made in three different experimental facilities, each dealing with a specific aspect of jet flows. The first part is devoted to the effect of swirl on the mixing characteristics of a passive scalar in the near-field region of a moderately swirling jet. Instantaneous streamwise and azimuthal velocity components as well as the temperature were simultaneously accessed by means of combined X-wire and cold-wire anemometry. The results indicate a modification of the turbulence structures to that effect that the swirling jet spreads, mixes and evolves faster compared to its non-swirling counterpart. The high correlation between streamwise velocity and temperature fluctuations as well as the streamwise passive scalar flux are even more enhanced due to the addition of swirl, which in turn shortens the distance and hence time needed to mix the jet with the ambient air. The second jet flow part was set out to test the hypothesis put forward by Talamelli & Gavarini (Flow, Turbul. & Combust. 76), who proposed that the wake behind a separation wall between two streams of a coaxial jet creates the condition for an absolute instability. The experiments confirm the hypothesis and show that the instability, by means of the induced vortex shedding, provides a continuous forcing mechanism for the control of the flow field. The potential of this passive mechanism as an easy, effective and practical way to control the near-field of interacting shear layers as well as its effect towards increased turbulence activity has been shown. The third part of the jet flow studies deals with the hypothesis that so called oblique transition may play a role in the breakdown to turbulence for an axisymmetric jet.For wall bounded flows oblique transition gives rise to steady streamwise streaks that break down to turbulence, as for instance documented by Elofsson & Alfredsson (J. Fluid Mech. 358). The scenario of oblique transition has so far not been considered for jet flows and the aim was to study the effect of two oblique modes on the transition scenario as well as on the flow dynamics. For certain frequencies the turbulence intensity was surprisingly found to be reduced, however it was not possible to detect the presence of streamwise streaks. This aspect must be furher investigated in the future in order to understand the connection between the turbulence reduction and the azimuthal forcing. The boundary layer part of the thesis is also threefold, and uses both new data as well as data from various data bases to investigate the effect of certain limitations of hot-wire measurements near the wall on the mean velocity but also on the fluctuating streamwise velocity component. In the first part a new set of experimental data from a zero pressure-gradient turbulent boundary layer, supplemented by direct and independent skin friction measurements, are presented. The Reynolds number range of the data is between 2300 and 18700 when based on the free stream velocity and the momentum loss thickness. Data both for the mean and fluctuating streamwise velocity component are presented. The data are validated against the composite profile by Chauhan et al. (Fluid Dyn. Res. 41) and are found to fulfil recently established equilibrium criteria. The problem of accurately locating the wall position of a hot-wire probe and the errors this can result in is thoroughly discussed in part 2 of the boundary layer study. It is shown that the expanded law of the wall to forth and fifth order with calibration constants determined from recent high Reynolds number DNS can be used to fix the wall position to an accuracy of 0.1 and 0.25 l_ * (l_* is the viscous length scale) when accurately determined measurements reaching y+=5 and 10, respectively, are available. In the absence of data below the above given limits, commonly employed analytical functions and their log law constants, have been found to affect the the determination of wall position to a high degree. It has been shown, that near-wall measurements below y+=10 or preferable 5 are essential in order to ensure a correctly measured or deduced absolute wall position. A number of peculiarities in concurrent wall-bounded turbulent flow studies, was found to be associated with a erroneously deduced wall position. The effect of poor spatial resolution using hot-wire anemometry on the measurements of the streamwise velocity is dealt with in the last part. The viscous scaled hot-wire length, L+, has been found to exert a strong impact on the probability density distribution (pdf) of the streamwise velocity, and hence its higher order moments, over the entire buffer region and also the lower region of the log region. For varying Reynolds numbers spatial resolution effects act against the trend imposed by the Reynolds number. A systematic reduction of the mean velocity with increasing L+ over the entire classical buffer region and beyond has been found. A reduction of around 0.3 uƬ, where uƬ is the friction velocity, has been deduced for L+=60 compared to L+=15. Neglecting this effect can lead to a seemingly Reynolds number dependent buffer or log region. This should be taken into consideration, for instance, in the debate, regarding the prevailing influence of viscosity above the buffer region at high Reynolds numbers. We also conclude that the debate concerning the universality of the pdf within the overlap region has been artificially complicated due to the ignorance of spatial resolution effects beyond the classical buffer region on the velocity fluctuations.QC 20100820
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Rutard, Nicolas. "Simulation numérique et modélisation de l'influence d'ondes acoustiques de haute amplitude sur un jet diphasique : application au domaine de la propulsion fusée à ergols liquides." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLC088.
Full textAbstract:
L’occurrence d'instabilités de combustion de haute fréquence au sein des moteurs-fusées à ergols liquides peut s'avérer dommageable pour l'intégrité des systèmes propulsifs. Par conséquent, les acteurs du spatial souhaitent renforcer leur compréhension des mécanismes à l'origine de ces instabilités. Pour cela, la simulation numérique s'est révélée au fil du temps de plus en plus attractive. Dans le cas particulier d'un fonctionnement en régime subcritique, le comburant se trouve à l'état liquide dans la chambre de combustion. Pour reproduire fidèlement les écoulements associés à ce régime de fonctionnement, la simulation numérique doit pouvoir restituer les mécanismes d'interaction entre les perturbations acoustiques et le processus d'atomisation de la phase liquide, car ils peuvent influencer la stabilité de la combustion. Dans cette optique, cette étude consiste 1) à mettre en place une méthodologie de simulation numérique de jet diphasique atomisé sous excitation acoustique, 2) à valider la restitution de l'ensemble des mécanismes de réponse du jet aux ondes acoustiques, et 3) à s'appuyer sur les résultats des simulations pour progresser vers une meilleure compréhension des phénomènes physiques mis en jeu. La stratégie de simulation utilisée est basée sur le couplage entre une méthode à interface diffuse à 4 équations pour simuler le gaz et les plus grosses structures liquides de l'écoulement, et une approche statistique Eulérienne pour modéliser le spray de gouttes. Dans ces travaux, la simulation numérique d'un jet diphasique atomisé soumis à une excitation acoustique de haute amplitude montre une bonne restitution de l'aplatissement du cœur liquide et de son influence sur le processus d'atomisation du jet. Notamment, le cœur liquide est raccourci et le spray s'élargit dans la direction orthogonale à l'axe de propagation acoustique. Un couplage important d'ores et déjà observé expérimentalement entre le système d'injection et la cavité acoustique ainsi que son influence sur le processus d'atomisation de la phase liquide sont également reproduits. Enfin, une modélisation simplifiée de l'écoulement destinée à compléter les résultats des simulations révèle une déviation progressive du cœur liquide, et donc des gouttes issues de son atomisation, par la force de radiation acoustique. Ces travaux ouvrent ainsi la voie à des simulations réactives capables de reproduire fidèlement le comportement de flammes diphasiques sous perturbation acoustique en vue d'en étudier l'impact sur la stabilité de la combustionThe occurrence of high-frequency combustion instabilities in liquid-propellant rocket engines can be detrimental to propulsion systems. Consequently, space actors need to strengthen their understanding of the mechanisms that cause these instabilities. To this end, numerical simulation has become more and more attractive over time. Under subcritical operating conditions, the oxidizer inside the combustion chamber is in a liquid state. In such a case, numerical simulation must be able to reproduce every interaction mechanism between acoustics and the atomization of the liquid phase, because it may influence the combustion stability. In this perspective, this study consists in 1) setting up a methodology for the numerical simulation of an atomized two-phase jet under acoustic modulation, 2) validating the restitution of all the response mechanisms of the jet to acoustics, and 3) using the results of the simulations to progress in the understanding of the involved physical phenomena. The simulation strategy that is used is based on the coupling between a 4-equation diffuse interface method to simulate the gas and the largest liquid structures of the flow, and an Eulerian statistical approach to model the spray. In this work, the numerical simulation of an atomized two-phase jet subjected to a high amplitude acoustic modulation shows a good restitution of the flattening of the liquid core and its influence on the atomization process of the jet. In particular, the liquid core is shortened and the spray widens in one particular direction. The coupling between the injection system and the acoustic cavity and its influence on the atomization process of the liquid are also reproduced. Finally, a simplified modeling of the flow used to complement the simulation results reveals a progressive deviation of the liquid core, and therefore of the drops resulting from its atomization, by the acoustic radiation force. Thus, this work opens the way to reactive simulations capable of faithfully reproducing two-phase flames under acoustic disturbances in order to study their impact on combustion stability
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Camano, Schettini Edith Beatriz. "Étude expérimentale des jets coaxiaux avec différences de densité." Grenoble INPG, 1996. http://www.theses.fr/1996INPG0066.
Full textAbstract:
Les jets coaxiaux ont plusieurs applications pratiques, principalement dans le domaine de la combustion, et particulierement pour les injecteurs de moteurs de fusees, ou l'oxygene liquide (lourd et a faible vitesse) est injecte dans la buse centrale, et l'hydrogene gazeux (tres leger et tres rapide) est injecte dans la buse annulaire. Afin de nous rapprocher de ce type d'ecoulement, nous avons mene des recherches sur les jets coaxiaux, monophasiques, isothermes, avec fortes differences de densite. Les gaz utilises ont ete de l'air, de l'helium et du sf#6. Nous avons mis au point une instrumentation adaptee aux ecoulements heterogenes, basee sur la thermo-anemometrie. Une sonde dite de sillage nous a permis d'identifier les regions de recirculation. Les champs de densite ont ete obtenus avec une sonde de type aspirante. Les parametres les plus importants, pour ce type de jet, sont le rapport de vitesse, r#v, et le rapport de densite, s, qui ont ete regroupes dans le rapport des flux de quantite de mouvement, m. Les jets coaxiaux presentent deux regimes d'ecoulements bien definis: l'un recirculant et l'autre de cone potentiel, qui peuvent etre distingues a partir d'une valeur critique de ce parametre, m#c, pour chaque couple de gaz. M#c vaut 40 a 50 pour l'ensemble des gaz utilises, sauf pour le couple helium-sf#6, pour laquelle m#c 80 - 100. Une bulle de recirculation se developpe avec une frontiere aval pratiquement independante de m (0,9 a 1,2 d#i suivant les differents cas etudies) et une frontiere amont qui remonte vers la buse lorsque m augmente. Les resultats concernant la longueur du cone potentiel se regroupent assez bien en fonction de m, mais il subsiste une legere influence de la densite ; un raccourcissement est constate lorsque le gaz injecte dans la buse annulaire est plus leger que le gaz du jet central. Contrairement a la tendance prevue, le couple helium-sf#6 donne un entrainement plus faible que pour les autres gaz
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Rehab, Hichem. "Structure de l'écoulement et mélange dans le champ proche des jets coaxiaux." Université Joseph Fourier (Grenoble), 1997. http://www.theses.fr/1997GRE10074.
Full textAbstract:
Le present travail est une etude experimentale de l'ecoulement dans le champ proche des jets coaxiaux a fort rapport des vitesses initiales entre le courant annulaire et central. Les objectifs de l'etude sont de clarifier les mecanismes physiques qui gouvernent la dynamique de l'ecoulement et les regimes d'ecoulement. Deux regimes d'ecoulement sont identifies selon les valeurs du rapport des vitesses initiales comparee a une certaine valeur critique. Le premier regime est caracterise par un cone potentiel central dont la longueur est inversement proportionnelle au rapport des vitesses. Un modele d'entrainement base sur la conservation de la masse et le taux d'entrainement turbulent a travers les couches de melange permet d'expliquer et de predire la longueur du cone potentiel central. Le rapport des vitesses initiales represente le parametre cle de l'ecoulement. Au dela d'une valeur critique du rapport des vitesses, le cone potentiel central se brise et un ecoulement de recirculation s'installe. La bulle de recirculation qui se forme a un mouvement de precession a basse frequence et de large amplitude comparee au mode de jet. Le regime de recirculation favorise un melange precoce a la sortie des injecteurs par rapport au regime non recirculant. Les etapes de l'etablissement de la structure fine du melange dans ces jets sont analysees a l'aide d'un scalaire passif a gran nombre de schmidt. On distingue une etape de declenchement des instabilites de cisaillement, puis un processus de reduction des longueurs a etirement constant jusqu'aux echelles diffusionnelles. Le temps necessaire pour atteindre ces echelles depend du nombre de schmidt, et sa valeur elevee induit une pente anormale (-1) sur le spectre des fluctuations de concentration dans la gamme des echelles inertielles.
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Ben-Yeoshua, Moshe 1957. "Coaxial jets with swirl." Thesis, The University of Arizona, 1993. http://hdl.handle.net/10150/291734.
Full textAbstract:
The near field of coaxial air jets, with swirl in the outer one, was investigated experimentally. Axial and azimuthal velocities were mapped using hot-wire anemometry, and static pressure measurements were obtained using a pitot tube. The flow was visualized using a double-pass schlieren system. The flow is sensitive to both the amount of swirl, characterized by the swirl number S, and the mass flow ratio between the outer and inner jets, mr. A necessary condition for recirculation to occur was that S > 0.58 and mr > 8.5. The magnitude of a pressure deficit in the centerline strongly depends on mr, while the existence of swirl appears to have a triggering effect on setting up this pressure gradient. Spectral analysis shows distinct characteristics dependent on the occurrence of recirculation. Because these features were observed upstream of the recirculation region, the vortex breakdown in this experiment may be related to flow instabilities.
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Perrault-Joncas, Dominique C. "Linear stability of coaxial jets with application to aeroacoustics." Thesis, McGill University, 2008. http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=112343.
Full textAbstract:
Motivated by a practical interest in noise generated by turbofan engine, this thesis studies the stability of parallel coaxial jets with velocity and temperature profiles characteristic of the exhaust region of the engine. Because the bypass stream mixes with both the exhaust and the ambient air, these profiles contain thin layers in which the velocity and temperature may vary rapidly. As a consequence, multiple instability modes are possible. In accordance with Rayleigh's theorem for axisymmetric incompressible shear flows, it follows that there are three possible modes, only two of which are unstable. To complement the study of parallel flow stability, this thesis also includes the derivation of the amplitude evolution equation for slowly varying axisymmetric incompressible flows.
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Mancini, Alessandro. "Detached eddy simulations of single and coaxial supersonic jets." Thesis, University of Leicester, 2018. http://hdl.handle.net/2381/42505.
Full textAbstract:
Aircraft today are 20-30 dB quieter than the first passenger jets, emitting less than 1% of the noise. Further reductions in noise emission are a real challenge. The jet noise component is relatively well understood for simple geometries but it is still elusive to accurate and efficient models able to predict it for real turbofan engine nozzle configurations. Enhanced modelling of the complex three-dimensional flow from dual-flux jets of turbofan engines, in which shock waves interact with turbulent structures to generate shock-associated jet noise, is therefore required. This work explores whether lower-order hybrid Detached Eddy Simulation (DES) schemes can be used for aeroacoustic investigations of supersonic under-expanded jets. The objective of this thesis is to produce and analyse aeroacoustic results from under-expanded supersonic single and dual jets with an affordable DES numerical scheme. The main goal is to use a relatively computationally cheap numerical solver able to produce engineering accurate acoustic results for under-expanded jets. Compared to high-order full Large Eddy Simulation (LES) predictions, the second-order time accurate and up to third-order space accurate DES approach here proposed would give a strong advantage in terms of time and computational cost using a fraction of the resources of a full LES. The outcome of the work proves that the adopted approach is suitable for the analysis of BroadBand Shock Associated Noise (BBSAN) in under-expanded supersonic single jets. With respect to dual-flux coaxial jets, further tests are necessary to assess the behaviour of the DES approach in the region of interaction of strong waves with the RANS boundary layer close to the walls in order for the DES approach to be safely and confidently used as a design tool for the engine-airframe integration of wide-body civil aircraft.
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Rodriguez, Juan Ignacio. "Acoustic excitation of liquid fuel droplets and coaxial jets." Diss., Restricted to subscribing institutions, 2009. http://proquest.umi.com/pqdweb?did=1835606741&sid=1&Fmt=2&clientId=1564&RQT=309&VName=PQD.
Full text
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Segalini, Antonio <1983>. "Experimental analysis of coaxial jets: instability, flow and mixing characterization." Doctoral thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2010. http://amsdottorato.unibo.it/2474/1/segalini_antonio_tesi.pdf.
Full textAbstract:
The velocity and mixing field of two turbulent jets configurations have been experimentally characterized by means of cold- and hot-wire anemometry in order to investigate the effects of the initial conditions on the flow development.
In particular, experiments have been focused on the effect of the separation wall between the two streams on the flow field.
The results of the experiments have pointed out that the wake behind a thick wall separating wall has a strong influence on the flow field evolution. For instance, for
nearly unitary velocity ratios, a clear vortex shedding from the wall is observable. This phenomenon enhances the mixing between the inner and outer shear layer. This enhancement in the fluctuating activity is a consequence of a local absolute instability of the flow which, for a small range of velocity ratios, behaves as an hydrodynamic oscillator with no sensibility to external perturbations. It has been suggested indeed that this absolute
instability can be used as a passive method to control the flow evolution.
Finally, acoustic excitation has been applied to the near field in order to verify whether or not the observed vortex shedding behind the separating wall is due to a global oscillating mode as predicted by the theory.
A new scaling relationship has been also proposed to determine the preferred frequency for nearly unitary velocity ratios. The proposed law takes into account both the Reynolds number and the velocity ratio dependence of this frequency and, therefore, improves all the previously
proposed relationships.
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Segalini, Antonio <1983>. "Experimental analysis of coaxial jets: instability, flow and mixing characterization." Doctoral thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2010. http://amsdottorato.unibo.it/2474/.
Full textAbstract:
The velocity and mixing field of two turbulent jets configurations have been experimentally characterized by means of cold- and hot-wire anemometry in order to investigate the effects of the initial conditions on the flow development.
In particular, experiments have been focused on the effect of the separation wall between the two streams on the flow field.
The results of the experiments have pointed out that the wake behind a thick wall separating wall has a strong influence on the flow field evolution. For instance, for
nearly unitary velocity ratios, a clear vortex shedding from the wall is observable. This phenomenon enhances the mixing between the inner and outer shear layer. This enhancement in the fluctuating activity is a consequence of a local absolute instability of the flow which, for a small range of velocity ratios, behaves as an hydrodynamic oscillator with no sensibility to external perturbations. It has been suggested indeed that this absolute
instability can be used as a passive method to control the flow evolution.
Finally, acoustic excitation has been applied to the near field in order to verify whether or not the observed vortex shedding behind the separating wall is due to a global oscillating mode as predicted by the theory.
A new scaling relationship has been also proposed to determine the preferred frequency for nearly unitary velocity ratios. The proposed law takes into account both the Reynolds number and the velocity ratio dependence of this frequency and, therefore, improves all the previously
proposed relationships.
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Schmitt, Thomas. "Simulation des Grandes Echelles de la combustion turbulente à pression supercritique." Thesis, Toulouse, INPT, 2009. http://www.theses.fr/2009INPT032H.
Full textAbstract:
Dans les chambres de combustion des moteurs fusées cryotechniques, la pression excède la pression critique des réactifs. Les interactions moléculaires ne sont plus négligeables et le comportement du fluide n’est plus celui d’un gaz parfait. Le but de cette thèse est de développer un outil de Simulation des Grandes Echelles (SGE) pour étudier la combustion et la dynamique dans des géométries réalistes de moteur fusées. L’utilisation de l’équation d’état de Peng-Robinson, associée à une formulation thermodynamique généralisée, et des coefficients de transports appropriés permettent au code de SGE AVBP du CERFACS de simuler des systèmes réactifs à pression supercritique. Les changements thermodynamiques au sein d’AVBP nécessitent également l’adaptation des conditions limites et des schémas numériques. L’outil est validé sur une configuration mono-espèce à pression supercritique, puis sur un cas représentatif d’un injecteur coaxial de moteur-fusée. Les résultats obtenus sont en bon accord avec l’expérience et offrent des perspectives encourageantes pour des études futures, telles que des configurations multi-injecteurs ou l’analyse des instabilités de combustion haute fréquenceIn cryogenic engines combustion chambers, pressure exceeds the propellants critical pressure. Molecular interactions are generally no longer negligible and fluid behavior deviates from that of a perfect gas. The objective of this thesis is to develop a Large-Eddy Simulation (LES) tool to study combustion and dynamics in realistic geometries of rocket engines. The use of the Peng-Robinson equation of state, in conjunction with a generalized treatment of thermodynamics and appropriate transport coefficients, allows the CERFACS’ LES code AVBP to handle reactive systems at supercritical pressure. Change of the thermodynamics in AVBP necessarily leads to an adaptation of boundary conditions treatment and numerical schemes. The tool is validated on a mono-species configuration at supercritical pressure, and a reactive single coaxial injector, representative of a rocket injector. Results are in good agreement with experiments and provide encouraging perspectives for future studies, such as multi-injector configurations and high-frequency combustion instabilities
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Marmottant, Philippe. "Atomisation d'un jet liquide par un courant gazeux." Phd thesis, Grenoble INPG, 2001. http://www.theses.fr/2001INPG0139.
Full textAbstract:
La fragmentation d'un jet liquide en un spray de gouttelettes est étudiée lorsque sa surface est soumise à un fort courant de gaz parallèle au jet. La visualisation du jet révèle qu'une étape transitoire précédant la formation des gouttelettes est la croissance de ligaments liquides à partir de la surface. En effet la surface est la croissance de ligaments liquides à partir de la surface. En effet la surface est instable vis-à-vis du cisaillement imposé par le courant gazeux. Initialement lisse elle est soumise à des ondulations axisymétriques grandissantes, dont la longueur d'onde est déterminée par l'épaisseur de la couche limite gazeuse. Les crêtes de ces ondulations présentent des modulations transverses dont l'espacement résulte d'une compétition entre les forces capillaires et l'inertie du gaz. L'allongement de ces modulations dans le courant gazeux crée les ligaments de liquide. Le devenir des ligaments est étroitement lié à l'espacement des modulations transverses. Leur brisure, qui se produit lorsque les forces capillaires les fragmentent, est l'acte de naissance de gouttes dont la taille moyenne est proportionnelle à cet espacement. Les tailles sont largement réparties autour de cette moyenne et un modèle basé sur l'interaction des tailles pendant la brisure rend compte de leur distribution. Le spray de gouttelettes qui résulte des brisures des ligaments présente aussi un large éventail de diamètres. Leur répartition est telle que le nombre de gouttelettes d'un diamètre donné décroît exponentiellement avec le diamètre. Le diamètre moyen est aussi proportionné à l'espacement transverse, il est inversement proportionnel à la vitesse du courant de gaz.
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Degeneve, Arthur. "Stabilization, structure and thermal behavior of oxy-flames with a variable swirl level." Thesis, université Paris-Saclay, 2020. http://www.theses.fr/2020UPAST025.
Full textAbstract:
Ce travail porte sur la stabilisation, la structure et le comportement thermique d’oxy-flammes turbulentes opérées avec du méthane comme combustible. L’étude recouvre des flammes fonctionnant dans des conditions prémélangées et non prémélangées, avec et sans swirl, et avec un oxydant dont la concentration d'oxygène est variable. Plus de 3000 flammes sont étudiées sous une large gamme de conditions de fonctionnement grâce à une chambre de combustion polyvalente, et à des diagnostics laser et des outils de calcul haute-fidélité. L'objectif de cette thèse est de répondre à la question suivante. Si un changement de composition du combustible ou de l'oxydant, de la puissance thermique ou une légère modification de l'injecteur est effectué, est-il possible d’ajuster le swirl conféré aux réactifs afin de retrouver la même structure de flamme et le même régime de stabilisation ? L'impact de l’angle d’ouverture d’un divergent placé en sortie d’injecteur sur l’écoulement est étudié sous un angle à la fois théorique et expérimental au moyen de diagnostics optiques. Un modèle est développé pour prédire la position de la zone de recirculation centrale lorsque cet angle varie. Les effets d'une modification de la composition de l'oxydant sur la structure de flamme sont ensuite étudiés lorsque la flamme passe d'une dilution en N2 à une dilution en CO2. Il est démontré que le swirl a un impact considérable sur la structure de la flamme. La température et la distribution du transfert thermique sont ensuite caractérisées expérimentalement le long des parois latérales de la chambre de combustion. Un modèle de premier ordre est développé pour expliquer les changements de transferts thermiques observés entre les flammes diluées en N2 et en CO2. Le comportement thermique de la chambre de combustion Oxytec est ensuite étudié à l’aide de la simulation numérique aux grandes échelles couplée à un solveur de rayonnement Monte Carlo. La prise en compte détaillée du rayonnement thermique modifie faiblement la position de la flamme et la structure de l’écoulement, mais a un impact considérable sur la température des gaz brûlés et sur la distribution du flux thermique à l'intérieur de la chambre de combustion. Un modèle permettant de prédire la température moyenne du gaz et la distribution du transfert thermique des parois lors du passage d'une simulation non couplée à une simulation couplée est finalement proposé.La suite de l’étude est consacrée à la caractérisation expérimentale des effets du swirl sur la structure et les modes de stabilisation des oxy-flammes en condition non prémélangées et opérées avec un injecteur coaxial dans lequel les deux jets peuvent être swirlés. Une analyse paramétrique est menée en couvrant une large gamme de rapports de flux de moments axiaux et de fractions massiques d'O2, et aboutit sur un modèle qui prédit la longueur d’oxy-flammes coaxiales avec et sans swirl. Il est ensuite montré qu’une augmentation du swirl interne peut détacher la flamme des lèvres de l’injecteur. L'origine des différentes structures de flamme et d'écoulement qui en résultent est étudiée plus en détail à l'aide de mesures couplées OH-PLIF / PIV. Il apparaît que le phénomène de détachement de la flamme hors de l’injecteur central est provoqué par un blocage partiel du jet de méthane central lorsque le swirl interne augmente. De plus, la température mesurée à la surface de l’injecteur lorsque la flamme est détachée est considérablement plus faible que lorsque la flamme est accrochée. Enfin, la structure des oxy-flammes coaxiales non prémélangées est étudiée lorsque les swirls centraux et annulaires sont injectés de manière co- et contra-rotatives. Il est prouvé qu’un swirl contra-rotatif diminue la recirculation du gaz tandis qu’un swirl co-rotatif l'améliore. Cette analyse aboutit à un modèle prédisant l’évolution de la position du pied d’une flamme lorsqu’elle est décrochée de l’injecteurThe thesis deals with the stabilization, structure, and thermal behavior of turbulent oxy-flames burning methane. It covers flames operated in premixed and non-premixed conditions, with and without swirl conferred to the flow, and with a variable concentration of oxygen in the oxidizer stream. These flames are investigated over a broad range of operating conditions on a versatile lab-scale combustor with laser diagnostics and high-fidelity computational tools. The objective is to answer the following question. If a change of fuel or oxidizer composition, thermal power, or a slight modification of the injector nozzle is made, can the swirl motion conferred to the reactants be adjusted to retrieve the same flame structure and stabilization regime before the modification? The work relies both on parametrical analysis conducted on a large set of 3000 operating conditions and a thorough investigation of selected flames. Swirled premixed flames are investigated first. The impact on the flow pattern of a diverging cup at the nozzle outlet is investigated both theoretically and experimentally with optical diagnostics. Expressions for the evolution of the swirl level through this diffuser are derived. A model is then developed to predict the position of the central recirculation zone as the quarl angle varies. The study proceeds by assessing effects of a change in the oxidizer composition when switching from N2- to CO2-dilution on the structure of swirled flames. It is found that the swirl has a considerable impact on the flame structure, and two flame wrinkling processes are identified depending on the swirl level. An experimental characterization of the temperature and heat flux distribution along the combustor sidewalls is then conducted. A low-order model is derived to explain changes of the heat flux distributions for the N2- and CO2-diluted flames. The thermal behavior of the Oxytec combustor is then investigated with large-eddy simulations coupled with a Monte Carlo radiative heat transfer solver. It is found that a detailed description of the thermal radiation barely alters the flame and flow position, but has a tremendous impact on the burned gas temperature and the heat flux distribution inside the combustor. A model which enables to predict the global gas temperature and wall heat flux distribution when switching from a non-coupled simulation to a coupled-simulation is finally proposed.An experimental characterization of the effects of swirl on the structure and stabilization modes of non-premixed oxygen-enriched flames above a coaxial injector in which the two streams are eventually swirled is carried out. A model is derived to predict the length of coaxial oxy-flames with and without swirl. It is found that increasing the inner swirl level detaches the flame from the nozzle rim and lowers the flame liftoff distance. Varying the quarl opening angle or the oxygen concentration in the annular oxidizer stream also enables to control the flame liftoff height. The origin of the different flame and flow patterns is further investigated with the help of coupled OH-PLIF/PIV experiments. It is shown that flame detachment from the internal nozzle is caused by a partial blockage of the inner fuel stream by an intense central recirculation zone when the inner swirl increases. The temperature measured at the nozzle rim of the injector is in this case drastically reduced compared to attached flames. The structure of non-premixed co-axial oxy-flames is finally investigated for co- and counter-rotating operations. It is found that counter-swirl cancels gas recirculation along the burner axis while co-swirl enhances it. This allows to separate effects occurring at the outlet of the injector from swirl dissipation taking place further downstream after the coaxial jets have merged. This analysis has resulted in a model for the evolution of the flame root position and validated for about 200 lifted flames
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Hairoud, Asmaa. "Sur la stabilité globale des jets coaxiaux tournants." Thesis, Poitiers, 2012. http://www.theses.fr/2012POIT2269/document.
Full textAbstract:
Ce travail porte sur l'étude expérimentale et numérique de jets coaxiaux de rapports de vitesses débitantes intérieure/extérieure) inférieurs à l’unité, présentant une rotation dans le jet annulaire. Dans un premier temps, des visualisations par tomographie laser ont été réalisées dans les plans méridien et transversaux permettant une description tridimensionnelle de l'écoulement. Pour différents nombres de Reynolds, de rapport de vitesses et de nombre de Swirl, un inventaire des modes dominants a pu être établi. Les champs instantanés de vitesses ont ensuite été mesurés par Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV). Les résultats de mesures de vitesses longitudinales et azimutales moyennées en temps sont présentés. Une comparaison avec les structures observées par tomographie est proposée. Une décomposition de Fourier a été effectuée permettant d'identifier les modes dominants ainsi que leur position dans la direction radiale. L'approche expérimentale a été suivie par une analyse de stabilité linéaire. Une attention particulière est portée sur l'état de base stationnaire reconstruit à partir des profils de vitesses mesurées par PIV à la sortie du jet. Étant donné que l'écoulement est non parallèle, une approche globale de la stabilité est utilisée. L'étude de la stabilité est basée sur la résolution numérique des équations de Navier-Stokes par des méthodes pseudo-spectrales. L'objectif de cette analyse est de retrouver la carte en mode de Fourier azimutaux observée expérimentalement. Nous nous sommes donc intéressés au taux de croissance le plus élevé de la perturbation pour chaque mode azimutal ainsi qu'à la nature convective/ absolue des modes. Pour finir, une comThis work concerns the experimental and numerical study of coaxial jets with outer to inner velocity ratio lower than unity, presenting a rotation in the annular jet. At first, flow visualizations by tomography laser were used in the meridian and transverse plans in order to provide a spatial description of the flow. For various values of the nondimensional parameters : numbers of Reynolds, outer to inner velocity ratio and Swirl number, an inventory of the dominant modes was be established. Instantaneous velocity fields were then measured by Particle lmaging Velocimetry (PIV). The results of longitudinal and azimuthal time-averaged Velocity fields are presented. A comparison with the structures observed by tomography is proposed. A Fourier decomposition was made allowing to identify the dominant modes as well as their position in the radial direction. Experimental investigation was followed by a linear stability analysis. Special attention is paid to the steady base-flow solution reconstructed from the velocity profiles measured by PIV at the end of the nozzle. Given that the is not parallel, a global approach was used. Study of the stability is based on the numerical solution of the incompressible Navier-Stokes equations with pseudo-spectral methods. The objective of this analysis is to the map of azimuthal Fourier modes observed experimentally. We were thus interested in the most amplified growth rate of the disturbance for every azimuthal mode as well as in the absolute/convective nature of the modes. To conclude, a comparison of the results obtained in both numerical and experimental approaches is proposed
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Dunand, Arnaud. "Amélioration de l'atomisation coaxiale sous pression : influence du retrait et du swirl du jet de gaz annulaire." Poitiers, 2002. http://www.theses.fr/2002POIT2312.
Full textAbstract:
Cette étude porte sur l'amélioration des processus d'atomisation coaxiale en vue d'une application pour la stabilité d'une flamme cryogénique. La zone dense en liquide est étudiée au moyen d'une sonde à fibre optique et de PIV. Les vitesses et tailles des gouttes, obtenues par PDA et par imagerie, caractérisent la zone diluée. Le retrait favorise les transferts de quantité de mouvement gaz/liquide. Cependant, un effet non monotone est observé. Des interprétations, basées sur l'interaction entre les phases dans l'injecteur, ont été formulées. Le choix d'une géométrie optimale doit être guidé par les conditions d'injection et ambiantes. Un jet annulaire gazeux hélicoi͏̈dal entraîne, de par une dispersion accrue des structures liquides, une atomisation favorisée. L'apparition du phénomène de rupture de tourbillon modifie considérablement la morphologie du jet diphasique. Une atomisation complète du jet liquide et une inversion de la répartition des populations de gouttes sont alors observéesThis study deals with coaxial atomization processes improvement with a view to cryogenic flame stabilization. The liquid core is investigated by means of an optical fiber probe and PIV technique. Droplet velocities and diameters, obtained by PDA and tomography, characterize the dilute spray. The recess of the liquid tube promotes Gas/Liquid momentum transfers. Nevertheless, a non-monotonic effect is observed. Interpretations, based on the Liquid/Gas interaction inside the injector, are formulated and demonstrate the gas injection velocity prevalence. Therefore, the optimal geometry must be determinate with respect to the injection and ambient conditions. Thanks to structure displacement enhancement, an helical annular gas jet leads to an improved atomization. Vortex breakdown phenomenon emergence modifies, significantly, the morphology of the jet. Actually, for this amount a swirl, completed atomization of the liquid jet and inversed droplet population take place
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Ali, Zerrouki Meftah. "Etude expérimentale d'un jet turbulent radial confiné entre deux disques coaxiaux parallèles en rotation." Lille 1, 1989. http://www.theses.fr/1989LIL10110.
Full textAbstract:
L'objet de ce travail est l'étude expérimentale de l'écoulement turbulent qui se produit entre deux disques coaxiaux en rotation avec une injection axiale. Les équations du mouvement ont été simplifiées grâce à l'approximation de couche limite, ce qui a permis de mettre en évidence un certain nombre de paramètres sans dimension significatifs. L'étude expérimentale a été faite en faisant varier ces paramètres. Les effets de l'alimentation et ceux de la rotation sont du même ordre de grandeur. On s'est place dans un domaine peu éloigné de l'axe de rotation, ou l'écoulement est sensible à la manière dont l'injection est faite. La méthode de mesure utilisée est l'anémométrie à fil chaud. On a déterminé les vitesses moyennes ainsi que les contraintes de Reynolds. A partir des résultats expérimentaux, on peut discuter la validité des approximations faites dans les équations du mouvement : on constate notamment que certaines simplifications dans les équations de Reynolds conduisent à des résultats imprécis
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McIlwain, Stuart. "Large eddy simulation of the near field of round and coaxial jets with mild swirl." Thesis, National Library of Canada = Bibliothèque nationale du Canada, 2001. http://www.collectionscanada.ca/obj/s4/f2/dsk3/ftp04/nq56091.pdf.
Full text
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Ivanic, Tanja. "Etude des instabilités générées par deux jets tournants coaxiaux." Poitiers, 2002. http://www.theses.fr/2002POIT2317.
Full textAbstract:
Ce travail est consacré à l'étude des instabilités provoquées par l'introduction de swirl dans les jets coaxiaux. Cinq configurations ont été examinées: jets coaxiaux sans rotation, jet annulaire tournant, jet central tournant et jets co/contra-rotatifs. Des visualisations, permettant de dresser l'inventaire des modes dominants dans l'écoulement sont montrées. Ensuite, des résultats de mesures de vitesses moyennes de l'écoulement, par vélocimétrie par imagerie de particules et par anémométrie laser sont présentés. Ces mesures ont permis d'obtenir des profils de base qui sont ensuite injectés dans un code de calcul de stabilité linéaire. La nature convective/absolue des modes est étudiée en appliquant le critère de Briggs-Bers. Une autre méthode présentée également consiste à étudier la réponse impulsionnelle de l'écoulement par simulations numériques directes. Quelques résultats obtenus par des simulations numériques spatiales sont également montrésThis work is the study of the instabilities develloping in the coaxial rotating jets. Five configurations are considered: coaxial jets without rotation, outer jet rotating only, inner jet rotating only and co/counter-rotating jets. The results obtained by laser tomography permit to identify the dominating modes for each configuration. The axial and angular mean velocity profiles are measured by the Particle Image Velocimetry and by Laser Doppler Anemometry. Those profiles are used to study the temporal linear stability by solving numerically the analytical dispersion relation. The absolute/convective nature of the instability in the inner jet rotating only and the outer jet rotating only case is examined by numerical implementation of the Briggs-Bers criterion and by the Direct Numerical Simulation of the linear impulse response. Preliminary results obtained by spatial simulation using several normal modes (obtained by temporal linear study) as main jet fluctuations are also presented
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Hong, Moongeun. "Atomisation et mélange dans les jets coaxiaux liquide-gaz." Grenoble INPG, 2003. http://www.theses.fr/2003INPG0022.
Full textAbstract:
Dans le contexte des injecteurs coaxiaux utilisés dans les moteurs cryotechniques, des études ont été menées sur les mécanismes pilotant l'atomisation primaire du jet liquide ainsi que sur l'évolution du brouillard dans la couche de mélange diphasique, notamment dans la zone proche des injecteurs. Nous avons démontré l'aptitude des sondes optiques coniques à mesurer l'ensemble des caractéristiques de la phase dispersée dans les milieux dense et sur des inclusions distordues. Concernant la taille des gouttes produites, nous avons proposé un nouveau modèle d'instabilité secondaire du type Rayleigh-Taylor engendrée par l'accélération axiale, par le gaz, des nappes liquides créées par l'instabilité primaire qui s'avère en accord avec les mesures réalises au droit du dard liquide. Par ailleurs, l'analyse du flux volumique par classe de taille a clairement démontré l'importance de la coalescencesur l'évolution de la taille des gouttes en aval du dard liquideThe mechanisms of primary droplet formation and the downstream evolution of the spray have been investigated using a coaxial liquid-gas injector configuration as used in liquid propellant rocket engines, particularly in near field liquid gas mixing layer region. A conical, optical fibre probe was adapted and used for the measurement of the droplet characteristics. It is demonstrated that this probe gives reliable results even for flows with high liquid fraction and non-spherical droplets. It is shown that the droplet size is proportional to the secondary instability wave length which has been shown to be a Rayleigh-Taylor type instability produced by the acceleration by the high speed gas stream of the liquid sheets formed by the primary instability. The model developed is in good agreement with the experimental results. In addition, the analysis by size class of the volumetric flux has clearly shown the importance of coalescence in the downstream evolution of the droplet size
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Daviller, Guillaume. "Etude numérique des effets de température dans les jets simples et coaxiaux." Phd thesis, Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00573368.
Full textAbstract:
Cette étude s'intéresse aux eets de température sur la turbulence et l'acoustique rayonnée de jets subsoniques, simples et coaxiaux. Les équations de Navier-Stokes sont résolues par une approche de type Simulations des Grandes Échelles et les prévisions acoustiques en champ lointain sont obtenues à l'aide d'une méthode intégrale de Kirchho. Les mécanismes source d'un jet isotherme et d'un jet chaud, à nombre de Mach et de Reynolds identiques, sont étudiés à l'aide d'une décomposition azimutale en série de Fourier des termes sources du tenseur de Lighthill. Les principales diérences observées sur la dynamique et l'acoustique d'un jet chaud sont liées à la contribution du terme d'entropie et l'émergence de modes d'ordre supérieur. On montre que le terme d'entropie et le terme linéaire traduisant les interactions entre l'écoulement moyen et les fluctuations de densité, ont une distribution spatiale similaire en terme d'énergie et de fréquence. Les simulations de jets coaxiaux concentriques ont révélés que le bruit rayonné pour de faibles angles est dominé par les appariements tourbillonnaires entre les couches de mélange primaire et secondaire, lorsque le jet central est chaué. Finalement, une méthode de décomposition d'un écoulement en partie hydrodynamique et acoustique est appliquée sur un modèle d'écoulement simplifié, représentatif de la structure spatio-temporelle d'un jet. On met en évidence que la contribution du terme source hydrodynamique est dominante et que la turbulence est responsable du transport vers le champ lointain des fluctuations acoustiques.
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Boisdron, Gilles. "Etude de l’atomisation d’un jet liquide assisté par air soumis à une onde acoustique stationnaire transverse haute fréquence." Rouen, 2006. http://www.theses.fr/2006ROUES057.
Full textAbstract:
Les instabilités haute fréquence dans les moteurs fusées impliquent un couplage entre l’acoustique du foyer et la combustion. Cette étude porte sur l’influence d’un champ traverse sur le processus d’atomisation d’un jet liquide assisté par air. Un injecteur coaxial est placé à un ventre de pression (VP) ou de vitesse (VV) d’une onde plane stationnaire limitée à des fluctuations de 3600 Pa. En VP, l’onde impose à l’écoulement gazeux annulaire une modulation pouvant conduire à l’émission d’intenses vortex, permettant au jet liquide de développer une instabilité précoce de type cisaillement. En VV, des effets non linéaires de pression de radiation provoquent l’aplatissement en nappe du corps continu liquide du jet. Un critère, basé sur un nombre de Bond de radiation, détermine son apparition. Elle s’atomise sous l’action d’instabilités intrinsèques de nappe, de Faraday et de rupture de membranes. Enfin, l’acoustique impose à certaines gouttes de rester ou revenir au ventre de vitesseHigh frequency combustion instabilities ( ˜few kHz) in rocket engines imply a coupling between chamber acoustics and combustion. This study debates on the influence of a transverse acoustic field on the atomization of an air-assisted jet. A coaxial injector is placed at a pressure anti-node (PA) or velocity anti-node (VA) of a stationary plane acoustic wave with maximum fluctuation of 3600 Pa. At hte Pa, the acoustic wave modulates the annular gaseous flow and can induce the emission of intense vortices, which leads to a early shear-stress instability. Placed at a VA, non linear effects due to radiation pressure flattened the jet under the form of a sheet. A criterion, established from a radiation acoustic Bond number, determines its apparition. The sheet is atomised under the action of intrinsic sheet instabilities, Faraday instability and break-up of membranes. Acoustic effects organize the spray: amass and low speed droplets stay or go to the velocity anti-node
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Prévost, Lilian. "Atomisation coaxiale : influence de la pression de chambre et de la viscosité du liquide." Poitiers, 2000. http://www.theses.fr/2000POIT2254.
Full textAbstract:
Cette etude s'inscrit dans les recherches de base sur l'atomisation coaxiale qui conditionne la combustion dans les moteurs cryotechniques du type vulcain d'ariane v. Des visualisations par tomographie laser et des mesures de taux de presence liquide par la technique de la sonde a fibre optique permettent la cartographie de la region liquide dense. Le spray dilue est caracterise en granulometrie phase doppler par des mesures de vitesse et de taille des gouttes. La realisation de jets coaxiaux sous des pressions ambiantes variables entre 0,1 et 0,9 mpa a permis d'evaluer l'influence respective de la vitesse et de la masse volumique du gaz a l'injection. La vitesse d'injection modifie principalement l'interaction du jet de gaz avec le gaz ambiant tandis qu'une variation de la masse volumique change principalement l'interaction avec le jet liquide (transfert de quantite de mouvement gaz/liquide). Il apparait aussi que le rapport des flux de quantite de mouvement gaz/liquide j ne permet pas de decrire completement la region liquide dense. En effet, a j constant, une evolution de la pression ambiante se traduit par de grandes modifications de la longueur de rupture du jet liquide. D'autre part, la viscosite du liquide a une influence similaire mais moins importante que celle de la vitesse du liquide a l'injection. Par consequent, la caracterisation de l'hydrodynamique par le reynolds du jet liquide n'est pas possible.
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Reynier, Philippe. "Analyse physique, modélisation et simulation numérique des jets simples et des jets coaxiaux turbulents, compressibles et instationnaires." Toulouse, INPT, 1995. http://www.theses.fr/1995INPT084H.
Full textAbstract:
Cette these a pour objet l'analyse physique, la modelisation et la simulation numerique des jets ronds et des jets coaxiaux turbulents compressibles et instationnaires. Tout d'abord, nous avons procede a une revue des connaissances existantes sur les ecoulements etudies avec un effort particulier au niveau de l'etude des instabilites dans la region proche des jets. Puis, l'aspect de la modelisation du probleme physique est aborde avec l'expose des differents niveaux de fermeture utilises dans les equations de navier-stokes. Ensuite, l'aspect numerique est presente a travers la description detaillee du schema aux volumes finis utilise pour les simulations indirectes. L'etude du jet rond compressible a permis de mettre en evidence les effets de compressibilite sur la stabilisation de l'ecoulement ainsi que l'influence des conditions d'entree sur la presence d'instabilites dans la region proche. Enfin, sont presentes les resultats des simulations de jets coaxiaux dans des configurations homogenes et heterogenes. Cette derniere partie a pour interet industriel l'etude des phenomenes physiques lies a l'injection dans les moteurs fusees cryotechniques
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Boualia, Hassan. "Etude numérique et expérimentale des champs dynamiques et scalaires dans un écoulement turbulent fourni par un brûleur coaxial. Effet de la stratification." Thesis, Normandie, 2017. http://www.theses.fr/2017NORMR129/document.
Full textAbstract:
De nos jours, l’énergie délivrée par la combustion dépasse 80% de l‟énergie totale dans le monde, et ce pourcentage restera probablement élevé le long des 100 prochaines années. La plupart des systèmes réactifs qui génèrent la combustion turbulente sont utilisés dans la fabrication, le transport et l‟industrie pour la génération des puissances. Comme résultat, l‟émission des polluants est parmi les problèmes majeurs qui sont devenus des facteurs critiques dans notre société. Dans ce cadre, une étude détaillée des systèmes réactifs est alors nécessaire pour la conception de systèmes de haute performance qui s‟adaptent aux technologies modernes. L'optimisation des performances de ces systèmes énergétiques permet d‟une part d‟économiser l'énergie et d‟autre part de réduire la pollution. Les jets turbulents sont impliqués dans l'efficacité de ces divers systèmes. Dans le cas isotherme, la complexité des écoulements turbulents résulte principalement de la coexistence des structures de tailles très différentes et de l‟interaction non linéaire entre ces structures. Les plus grandes structures dépendent fortement de la géométrie du domaine considéré, elles sont donc anisotropes. De plus, elles ont une grande durée de vie et elles sont responsables du transport de la quasi-totalité de l'énergie. Les plus petites structures, quant à elles, ont souvent un caractère beaucoup plus "universel" (dû à leur comportement relativement isotrope) et sont à l'origine du processus de dissipation visqueuse. Prédire numériquement la dispersion et le mélange d‟un scalaire non réactif dans un écoulement turbulent est considéré comme un problème primordial et reste toujours actuel. Plusieurs recherches sont attachés à ce sujet afin d‟approfondir de plus à la connaissance de différents phénomènes pour pouvoir les mieux prédire. La prédiction numérique du mélange turbulent existant dans plusieurs applications industrielles et environnementales, a un important intérêt en génie chimique. Il est nécessaire donc de bien comprendre la majorité de propriétés du mélange et de l‟écoulement. En combustion, la complication du comportement des jets résulte de l‟interaction entre le dégagement de la chaleur, les processus de mélange, l'entraînement et la recirculation des gaz. Pour bien comprendre la complexité de ce phénomène, il est nécessaire de connaître parfaitement l'évolution dynamique et scalaire des jets turbulents isothermes en présence d'importantes différences de densité, comme elles peuvent lors de la combustion. Cette optimisation passe par la compréhension de l'effet de la variation des conditions d'entrée sur les processus de mélange dans le cas non réactif et sur la stabilité et la nature de la flamme dans le cas réactif. Ainsi, des études théoriques, expérimentales et numériques, doivent être menées en parallèle pour mieux identifier les effets d'une telle intervention. Bien des questions demeurent ouvertes dans le but de mieux caractériser les différents écoulements turbulents réactifs. Les objectifs des études menées dans ce domaine sont la réduction des émissions de polluants et l‟amélioration du rendement de combustion. Une compréhension du mélange et leur interaction avec les différents processus chimiques traduit donc un enjeu majeur. Elle est considéré alors comme un facteur déterminant la qualité des variétés des procèdes. Ce travail de thèse se base sur les jets coaxiaux qui constituent un cas particulier de jet axisymétrique. Ils sont communément rencontrés dans des différents brûleurs industriels qui assurent le contact entre le comburant et le carburant sous une forme de jets coaxiaux. Cette technique est le siège d‟une amélioration du mélange et de la stabilité des flammesRésumé non fourni
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Harran, Gilles. "Analyse physique, modélisation et simulation numérique des mécanismes de mélange dans les jets simples et coaxiaux turbulents." Toulouse, INPT, 1994. http://www.theses.fr/1994INPT089H.
Full textAbstract:
Le but de cette these est l'analyse physique, la modelisation et la simulation numerique des mecanismes de melange dans les jets a masse volumique variable sous l'effet de fortes incidences de densite. Dans un premier temps, l'outil de calcul par resolution des equations paraboliques de prandtl avec modelisation au second ordre est valide par une double comparaison avec l'experience en situation isovolume et a densite variable. Puis, une reflexion est menee sur l'influence du choix de regroupement statistique sur la predetermination des proprietes de melange des jets heterogenes. L'analyse s'appuie sur la comparaison de modeles analogues en moyenne ponderee par la masse volumique ou non ponderee par la masse volumique. Une etude parametrique permet de determiner des effets de densite sur le developpement d'un jet turbulent de facon cognitive mais aussi analytique. L'influence de parametres, tels que la gravite et les conditions d'emission est egalement discutee. Enfin, sont abordes les aspects specifiques de la configuration geometrique de jets coaxiaux qui presente un interet applicatif a l'injection dans la chambre de combustion des moteurs fusees
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Balarac, Guillaume. "Etude numérique de la dynamique tourbillonnaire et du mélange dans les jets coaxiaux turbulents." Phd thesis, Grenoble INPG, 2006. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00121393.
Full textAbstract:
Ce travail porte sur l'étude par simulation numérique de jets ronds coaxiaux à fort rapport de vitesse avec une attention particulière portée sur trois aspects : la transition de ces jets vers la turbulence, le mélange dans cette configuration d'écoulement et l'influence du nombre de Reynolds sur ces deux précédents points.Dans un premier temps, nous réalisons des simulations numériques directes de jets coaxiaux à un nombre de Reynolds modéré. Ces jets générent une région de recirculation lorsque le rapport des vitesses entre les jets externe et interne dépasse une valeur critique. Les anneaux de Kelvin-Helmholtz intérieurs et extérieurs ont un développement couplé. Ils sont convectés avec une même fréquence de passage contrôlée par la couche cisaillée extérieure. Ensuite, comme pour les jets ronds, des tourbillons longitudinaux contra-rotatifs apparaissent initiant la tridimensionnalisation de l'écoulement. La région de recirculation influence les anneaux de Kelvin-Helmholtz internes en les ralentissant et en les étirant longitudinalement. Deux modèles théoriques prédisant des grandeurs globales du jet (la longueur du cône potentiel interne et la valeur du rapport de vitesse critique au-delà duquel la région de recirculation apparaît) montrent l'influence de l'épaisseur de quantité de mouvement intérieure initiale.
Les propriétés de mélange ont ensuite été étudiées en résolvant l'équation de transport d'un traceur simultanément aux équations de Navier-Stokes. Les structures cohérentes de l'écoulement contrôlent le processus de mélange. Les tourbillons longitudinaux augmentent le mélange par un phénomène d'éjection du traceur en périphérie du jet. Cependant, la configuration initiale du jet montre que des poches de traceur non mélangé persistent à la fin de la transition. Les modifications des conditions d'entrée du jet diminuant ces poches sont celles qui permettent une génération plus précoce ou plus intense de structures longitudinales. C'est le cas de la région de recirculation qui étire longitudinalement les structures. De la même façon, un forçage azimutal de la couche cisaillée externe (qui domine la dynamique) améliore nettement le mélange et semble être plus performant qu'un forçage axisymétrique en ce qui concerne le mélange en champ proche.
Pour finir, nous avons réalisé des simulations des grandes échelles de jets coaxiaux à hauts nombres de Reynolds. L'auto-similitude des jets coaxiaux en turbulence pleinement développée a permis une validation sur les données expérimentales. Les quantités globales des jets coaxiaux sont fortement dépendantes du nombre de Reynolds jusqu'à ce que celui-ci atteigne une valeur de l'ordre de 10000. Au-delà de cette valeur, ces quantités sont quasi-indépendantes du nombre de Reynolds en raison du phénomène de ``mixing transition'' qui implique une déstabilisation tridimensionnelle immédiate du jet. Cette déstabilisation précoce des couches cisaillées conduit la région de recirculation à un comportement instationnaire. Enfin, cela permet une nette amélioration du mélange avec un phénomène d'éjection du traceur proche de l'entrée du jet.
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Wyzgolik, Aurélie. "Stabilisation d'une flamme non-prémélangée dans un écoulement de jets coaxiaux : effets d'un champ acoustique." Rouen, 2008. http://www.theses.fr/2008ROUES049.
Full textAbstract:
Ce travail s'intéresse aux phénomènes instationnaires en combustion dont la maîtrise est un point clé dans le fonctionnement efficace des foyers et des moteurs. Les limites de stabilité et les mécanismes de stabilisation sont analysés pour des flammes de jets coaxiaux (méthane/air) non-prémélangés, accrochées au brûleur ou suspendues. La transition entre flamme accrochée et suspendue est caractérisée à l'aide d'un critère thermique original pour les deux processus de décrochage identifiés au cours desquels la base de flamme passe d'une extrémité essentiellement propagative à une essentiellement diffusive. Les propriétés de la flamme, suspendue en zone d'hystérésis ou de lift pur, et celles des structures tourbillonnaires du jet, détectées par une technique d'identification automatique, sont quantifiées par des diagnostics d'imagerie et de vélocimétrie. L'organisation de la couche de mélange méthane/air régit la réponse de la flamme qui passe d'une forme laminarisée à base lobée à une forme turbulente lorsque la vitesse de l'air (Uo) croît. La flamme est stabilisée par la dynamique des tourbillons contra-rotatifs issus des instabilités secondaires, initialement influencés par les vortex de Kelvin-Helmholtz. Elle s'adapte aux conditions imposées par Uo dont le rapport avec la vitesse de flamme laminaire (Sl) pilote son comportement laminarisé ou turbulent. Dans les foyers, les instabilités de combustion sont accrues par les ondes acoustiques créant divers modes en interaction avec les modes propres de l'écoulement. L'expérience est donc ajustée pour étudier la flamme soumise à un forçage sinusoïdal du méthane. Ses réponses sont discriminées en fonction des fréquences et amplitudes du forçage; augmenter Uo déplace les limites des zones identifiées, certaines pouvant même disparaître. Quel que soit Uo, forcé au voisinage : - de sa fréquence naturelle (1200 Hz), le jet présente une organisation accrue ; - de sa première surharmonique (2600 Hz), le jet se caractérise par l'apparition de modes en interaction non linéaire. Pour ces deux hautes fréquences, le forçage conduit à un mélange plus efficace, donc à une réduction de la hauteur de suspension de flamme (Hl) pour les faibles Uo. Mais cet effet est freiné avec Uo croissant, voire inversé à 2600 Hz pour Uo élevé. Aux moyennes fréquences (200 Hz), le comportement est unifié vers une flamme turbulente dont la hauteur pivote autour de celle obtenue pour Uo ~ Sl (Hl croît (diminue) pour Uo faible (élevé)). Pour toute condition (Uo, fréquence, amplitude), les mécanismes d'interaction de modes régissent la réponse de flamme à travers les structures tourbillonnairesThis work focuses on unsteady combustion phenomena whose control is a key point in the efficient operation of engines and furnaces. Stability limits and stabilization mechanisms are analyzed for flames of non-premixed coaxial jets (methane/air), anchored or lifted above the burner. The transition from attachment to liftoff is characterized by an original thermal criterion for both identified lifting processes during which the flame base passes from a mainly propagative extremity to a mainly diffusive one. The properties of the flame, lifted either in its hysteresis zone or in the liftoff zone, and those of vortical structures of the jet detected by an automatic identification technique, are quantified by imagery and velocimetry diagnostics. The organization of the methane/air mixing layer governs the flame response from a laminarized aspect with a lobed base to a turbulent one when the air velocity (Uo) is increased. The flame is stabilized by the dynamics of the counter-rotating vortices issued from secondary instabilities, influenced when they are formed by the Kelvin-Helmholtz vortices. The flame adapts to conditions imposed by Uo whose ratio with the laminar flame speed (Sl) pilots its laminarized or turbulent behavior. Inside the chambers, combustion instabilities are increased by acoustic waves creating various modes in interaction with the own modes of the stream. So, our experiment is adjusted to study the flame submitted to a sinewave forcing of the methane. Its responses are discriminated according to the forcing frequencies and amplitudes; increasing Uo shifts the limits of the identified zones, even some of them can disappear. For all Uo, forced : - near its natural frequency (1200 Hz), the jet is more ordered ; - near its first harmonic frequency (2600 Hz), the jet shows several non linearly interacting modes. For both high frequencies, forcing contributes to a better mixing, and so to a reduction of the liftoff height (Hl) for small Uo. But, this effect is weakened with Uo increase, or even reversed at 2600 Hz for high Uo. For medium frequencies (200 Hz), the behavior tends to a turbulent flame whose liftoff height pivots around a data obtained for Uo ~ Sl (Hl grows (reduces) for small (high) Uo). For any condition (Uo, frequency, amplitude), the mode interaction mechanisms govern the flame response through the vortical structures
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Mistral, Sylvie. "Étude expérimentale et simulation numérique des transferts de quantité de mouvement et thermiques dans les jets supersoniques coaxiaux." Toulouse, INPT, 1993. http://www.theses.fr/1993INPT129H.
Full textAbstract:
Les phenomenes de melange entre deux fluides interviennent dans bon nombre d'applications industrielles, en particulier dans le domaine de la propulsion, ou ces melanges s'effectuent a tres haute vitesse. Ce type d'ecoulement fait l'objet, a l'heure actuelle, de recherches intensives. La presente etude s'interesse au cas d'un jet fortement chauffe. Elle s'effectue a la fois sur le plan experimental et sur le plan numerique. Pour la presente etude, trois valeurs de temperature d'arret du jet ont ete selectionnees: 330 k (identique a la temperature d'arret de l'ecoulement exterieur), 670 k et 1040 k. Les mesures presentees ont ete realisees au moyen de sondes de pression, d'un thermocouple et d'un velocimetre laser bidirectionnel. Des difficultes metrologiques ont ete rencontrees au cours de l'experience. Aussi, nous avons developpe un chapitre sur les methodes de mesure et leurs controles. Les resultats de cette experience montrent des analogies avec le cas des couches de melange planes compressibles. Les taux d'evasement de la couche de melange des jets, normalises par leurs homologues incompressibles ont des comportements tout a fait identiques a ceux des couches de melange planes. Malgre ces ressemblances, la presence de la couche limite initiale sur l'ejecteur perturbe fortement l'expansion des jets. Elle est responsable de l'absence de similitude, surtout dans le cas du jet a temperature d'arret constante. Une etude numerique parallele a ete entreprise. Un code de calcul resolvant les equations de mouvement moyennees dans le cadre de l'hypothese de couche mince a ete utilise. Dans ces calculs la modelisation des termes turbulents est limitee a des modeles de type longueur de melange. Malgre la simplicite du modele, nous avons pu remarquer que la masse volumique du jet est importante pour representer ce genre d'ecoulement
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Héron, Nicolas. "Modélisation statistique du bruit de jets en vue d'applications à la propulsion aéronautique." Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, 2002. http://www.theses.fr/2002ECAP0743.
Full textAbstract:
Pour estimer les principales contributions au rayonnement acoustique, des expressions semi-analytiques sont déduites de la solution intégrale de l'équation de Lighthill selon différents formalismes. Les modèles établis à partir de ces expressions exploitent les solutions de calculs aérodynamiques. Ces calculs sont réalisés par un code résolvant les équations de Navier-Stokes moyennées et fermées par un modèle de turbulence. On dispose ainsi d'une description du comportement moyen de l'écoulement et d'une représentation statistique de sa turbulence. Ces données servant d'entrée au code de calcul de bruit, elles ont été soumises à des études paramétriques. On a ainsi évalué la modélisation de la turbulence et son impact sur les prévisions aérodynamiques et acoustiques. L’influence du maillage sur les mêmes résultats a aussi été examinée. Ces études ont également permis de déterminer des conditions aux limites adéquates pour les calculs de l'écoulement, en particulier dans le cas des jets chauffés. Au cours de ces études un mailleur a été écrit pour générer des grilles de résolution parfaitement adaptées au calcul d'écoulements libres en sortie de tuyère. La méthodologie développée est d'abord utilisée pour évaluer la réduction du bruit de mélange pour des configurations double flux, selon des vitesses d'éjection des deux jets. La méthode est ensuite exploitée dans une étude des possibilités d'élimination des ondes de Match générées par un jet supersonique. Cette élimination est envisagée par l'addition d'un jet secondaire dont on ajuste les conditions d'éjection en température et en vitesse. Une description complète des termes sources acoustiques est ensuite réalisée pour prendre en compte le rayonnement associé à des différentiels de température entre le jet et le milieu ambiant. Le modèle réalisé à partir de cette description a été validé sur l'étude du bruit de jets chauds supersoniques.