Experimental and Theoretical Study of Mixing in Low-density Jets

Étude expérimentale et théorique du mélange d'un jet léger L'objectif de cette thèse est d'étudier les mécanismes physiques qui gouvernent l'évolution et le mélange des jets latéraux au sein des jets ronds de mélange binaire à faible densité, au moyen d'une double approche numérique et expérimentale. Les mécanismes physiques à l'origine des jets latéraux restent encore incertains et sont en lien direct avec le développement d'instabilités secondaires responsables de la tridimensionalisation de l'écoulement. Ainsi, une meilleure compréhension de ces mécanismes en jeu constitue un prérequis indispensable à la conception d'une stratégie de contrôle qui vise à promouvoir le mélange entre le jet et l'environnement ambiant.L'objectif de l'étude numérique est d'identifier les mécanismes transitoires qui influencent la croissance des perturbations tridimensionnelles dans le jet rond à faible masse volumique, en particulier dans les conditions physiques pour lesquelles apparaissent les jets latéraux. À cet effet, nous mettons en oeuvre une analyse de stabilité linéaire non-modale de l'évolution non-linéaire et axisymétrique de l'anneau tourbillonnaire de Kelvin-Helmholtz qui se développe dans les jets ronds à faible masse volumique en réponse à l'instabilité primaire de Kelvin-Helmholtz. Cette analyse de stabilité est réalisée à l'aide du code académique dalsa qui a été adapté pour ce régime d'écoulement. L'utilisation d'une méthode d’optimisation directe-adjointe permet d'identifier la structure spatiale et l'évolution temporelle des perturbations tridimensionnelles qui maximisent leur gain d'énergie généralisée, ainsi que les mécanismes physiques sous-jacents et leur lien avec l'apparition des jets latéraux. En particulier, l'objectif est d'apporter de nouveaux éléments permettant de statuer entre les deux hypothèses proposées dans la littérature pour expliquer le mécanisme à l'origine des jets latéraux. La première proposée par Monkewitz & Pfizenmaier (1991) repose sur un mécanisme d'induction de vitesse par les tourbillons longitudinaux contra-rotatifs qui se développent dans les écoulement cisaillés à masse volumique constante. La seconde est basée sur le mécanisme de tri-dimensionalisation associé aux stries de vitesse longitudinale de signe opposé qui se développent de part et d'autre du point de stagnation hyperbolique dans la tresse identifiée par Lopez-Zazuetaet al. (2016) dans la couche de mélange plane à densité variable.L'étude numérique conduite dans cette thèse est conçue en lien étroit avec la campagne expérimentale visant à étudier la structure des jets latéraux dans un jet de mélange binaire hélium-air. Ainsi, les paramètres de l'étude numérique comme les nombres de Reynolds et d'Atwood ainsi que le rapport d'aspect du jet, sont basés sur les conditions expérimentales. Ceci permet une comparaison directe des résultats théoriques aux observations expérimentales. Pour ce faire, nous avons conduit une campagne de mesures d'anémométrie à fil chaud du profil radial de vitesse du jet, et de la fréquence de l'instabilité primaire, afin de le caractériser et de le placer dans le contexte de la littérature scientifique.L'objectif de l'approche expérimentale est d'analyser la structure des jets latéraux et le mélange qu'ils induisent. Nous avons ainsi conçu et assemblé un banc de Background Oriented Schlieren tomographique (3DBOS). Ce banc est conçu afin de pouvoir observer les déviations optiques de l'ordre de 0,5 mrad induites par le champ hétérogène d'indices de réfraction créé par le jet de mélange hélium-air. Les mesures de 3DBOS obtenues permettent de reconstruire les champs de masse volumique du jet à faible densité en présence de jets latéraux. Ces champs de masse volumique sont originaux dans la littérature scientifique sur le sujet, et permettent d'augmenter notre compréhension de la structure des jets latéraux et de leur impact sur le mélange, et ainsi de corroborer les prédictions issues de l'analyse de stabilité.