Phénoménologie du mélange turbulent en écoulement gazeux inhomogène à viscosité et densité variables – MUVAR

Approches analytiques, expérimentales (diagnostiques laser) et
numériques (DNS des écoulements de jets et couche de mélange temporelle

Au CORIA :
Cette première moitié du programme a été majoritairement consacrée à la création du dispositif expérimental. En effet, celui-ci n’existant pas au laboratoire toutes ses composantes ont dû être imaginées, par exemple le dimensionnement et la détermination du profil des parois du convergent dont est issu notre écoulement. La qualité de ce dispositif a été vérifiée grâce à des mesures d’anémomètre à fil chaud. A ces problématiques purement scientifiques se sont ajoutées des contraintes imposées pour des raisons de sécurité (stockage des gaz en extérieur par exemple). Ces dernières nous ont donc obligés à chercher une entreprise disposant du savoir-faire nécessaire pour pallier aux difficultés techniques engendrées (maintien en pression de la ligne de propane entre autres). L’établissement d’un cahier des charges identifiant ces difficultés et la sélection de l’entreprise la plus adaptée ont donc constitué une partie importante de ce travail.
En outre, le caractère actif du scalaire (concentration) nous oblige à obtenir des mesures simultanées de vitesse et de concentration : notre choix s’est donc porté sur des diagnostics laser.


A IRPHE, par rapport au rapport intermédiaire (qui a été fourni en février 2014), le montage du dispositif expérimental a été complété par le dispositif permettant de positionner avec une grande finesse de précision le laser émetteur et les deux caméras réceptrices (celle pour les mesures PIV et celles pour les mesures LIF). Malheureusement, les premiers essais ont montré qu’il fallait s’équiper d’objectifs optiques spécifiques (focale de 200 mm), et nous sommes toujours en attente de leur livraison, même si la commande a été lancée depuis plus d’un mois.

L'étude continue sur les trois plans : analytique, expérimental et numérique. La compréhension et caractérisation du mélange à viscosité variable sera avancée, au niveau des statistiques en un point, en deux points, des statistiques conditionnelles.
Les équations de transport de l'énergie à chaque échelle seront prochainement testées en différentes configurations et elles seront résolues analytiquement et/ou numériquement.
Une fois la solution déterminée, le temps de mélange sera déterminée. La position en aval de l'injecteur où le mélange est 'bien fait' détermine l'endroit où la combustion se fait dans des meilleures conditions (moins de polluants, moins de NOx).

Trois publications scientifiques acceptées et plusieurs articles
soumis ou en cours de rédaction.
Neuf présentations (dont 5 invitées) dans des congrès internationaux.

Résoudre la 'théorie de la turbulence' suppose la capacité de prédire le comportement statistique de tout champ turbulent. Alors que les études traditionnelles de la turbulence concernent les fluides homogènes, les écoulements à viscosité/densité variables représentent la plupart des écoulements réels. En conséquence, il est important du point de vue fondamental mais aussi économique, de comprendre, dans un but de prédiction, le mélange de fluides à viscosité et densité variables. La composition du fluide représente un scalaire actif, car il peut modifier la valeur locale du champ de vitesse.

Cette étude sera faite en considérant deux situations, en fonction des valeurs des rapports des densités et viscosités des deux fluides:
1. fluides avec la même densité, mais des viscosités différentes;
2. fluides avec la même viscosité, mais des densités différentes. Ces deux situations représentatives seront comparées avec un cas de référence, celui du mélange de scalaire passif, pour lequel les viscosités et densités sont les mêmes (air très faiblement chauffé, mélangé dans de l'air frais).

Le but final de ce projet est d'avancer dans notre compréhension de la phénoménologie du scalaire actif, et de prédire ses statistiques. En conséquence, nos objectifs sont des questions reliées à la physique du mélange de scalaire actif. Toutes les questions énoncées par la suite comportent des verrous scientifiques. On se propose de lever ces verrous, en adoptant différents outils d'analyse (analytiques, expérimentaux et numériques). Les questions sont :
1) Quelle est la morphologie du champ dynamique et du mélange ?
2) Comment peut-on caractériser l'écoulement et le mélange d'un point de vue statistique ?
3) Quelles sont les équations dynamiques de transport de ces statistiques d'ordre deux, et trois ?
4) Quelle est la phénoménologie du mélange associée à ces équations de transport de l'énergie à chaque échelle ? La fermeture correcte des termes triples dans ces équations est équivalente à une identification correcte de certains phénomènes caractéristiques du mélange, et en particulier de l'influence de la viscosité/densité.
5) Quelles sont les fermetures les plus pertinentes des termes triples ?
6) Quel est le temps caractéristique du mélange (le temps que le mélange soit 'fait', i.e. que les plus petites échelles soient créées), à chaque position dans l'écoulement ?
7) Quels sont les régimes d'écoulement, les formes des buses des jets etc. qui sont les plus favorables à un 'bon' mélange ?

Les réponses à ces questions seront données en utilisant d'une manière intelligente et interactive, trois types d'outils analytiques/théoriques, expérimentaux et numériques. L'étude expérimentale concerne un jet rond d'un certain fluide, qui débouche dans un milieu avec un autre fluide. Deux types d'expériences seront faites, correspondant aux cas 1) et 2) mentionnés antérieurement :
-mélange de deux fluides avec la même densité, mais de viscosité variable, (e.g. propane/air), au CORIA;
-mélange de deux fluides avec la même viscosité, mais de densités différentes (e.g. helium/air), à l'IRPHE.
Dans les deux cas, les techniques expérimentales concernent des mesures planaires de vitesse (PIV) et de scalaire (par diffusion Rayleigh, ou PLIF sur acétone). Pour certaines situations, des mesures en un point de trois composantes de la vitesse, par ADL, seront faites.

Alors que les mesures seront faites pour des nombres de Reynolds basés sur la microéchelle de Taylor allant de basses valeurs (bien en dessous de 100) jusqu'à plus de 100, les simulations numériques des jets à densité/viscosité variables seront faites pour les régimes les plus bas. La base de données numériques va apporter une importante information qui n'est pas disponible expérimentalement (une composante de vitesse non-mesurable, ou des informations sur le taux de dissipation de l'énergie cinétique de la turbulence et de la variance du scalaire, par exemple).