ÉTUDE COMPARATIVE DU CHAMP PROCHE DE JETS TURBULENTS À MASSE VOLUMIQUE VARIABLE ET À GÉOMÉTRIE

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èmeXV Congrès Français de Mécanique Nancy, 3 – 7 Septembre 2001 8 ÉTUDE COMPARATIVE DU CHAMP PROCHE DE JETS TURBULENTS À MASSE VOLUMIQUE VARIABLE ET À GÉOMÉTRIE DE SORTIE 2D ET 3D Bérangère MESNIER, Jean-Noël BLANCHARD, Brahim SARH, Iskender GÖKALP Laboratoire de Combustion et Systèmes Réactifs - C.N.R.S. 1C, Avenue de la Recherche Scientifique - 45071 Orléans Cedex 2 Résumé : Une étude expérimentale est menée par Vélocimétrie par Imagerie de Particules dans la zone initiale de jets turbulents à masse volumique variable. Le but est de mettre en évidence l’influence de divers paramètres sur le mélange d’un jet (Hélium, Air ou CO ) et d’un co-courant (Air). Les résultats montrent d’une part la faible 2influence du rapport d’injection et d’autre part le rôle prépondérant du rapport de densité sur le développement du jet. De même une géométrie rectangulaire (3D) favorise le mélange par rapport à une géométrie circulaire classique (2D). Abstract : The near field of turbulent jets with variable density is experimentally investigated with Particle Image Velocimetry. The objective is to emphasize the influence of several parameters on the mixing between a jet (Helium, Air or CO ) with an air coflow. Whereas no noticeable influence of the injection ratio could be 2observed, the density ratio appears to play a major role on the jet development. Besides a rectangular geometry (3D) provides mixing enhancement in comparison with a conventional circular geometry ...

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ème XV CongrèsFrançais de Mécanique

Nancy, 3 – 7 Septembre 2001

ÉTUDE COMPARATIVE DU CHAMP PROCHE DE JETS TURBULENTS À MASSE VOLUMIQUE VARIABLE ET À GÉOMÉTRIE DE SORTIE 2D ET 3D

Bérangère MESNIER, JeanNoël BLANCHARD, Brahim SARH, Iskender GÖKALP

Laboratoire de Combustion et Systèmes Réactifs  C.N.R.S.

1C, Avenue de la Recherche Scientifique 45071Orléans Cedex 2

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Résumé : Une étude expérimentale est menée par Vélocimétrie par Imagerie de Particules dans la zone initiale de jets turbulents à masse volumique variable. Le but est de mettre en évidence l’influence de divers paramètres sur le mélange d’un jet (Hélium, Air ou CO 2 ) et d’un cocourant (Air). Les résultats montrent d’une part la faible influence du rapport d’injection et d’autre part le rôle prépondérant du rapport de densité sur le développement du jet. De même une géométrie rectangulaire (3D) favorise le mélange par rapport à une géométrie circulaire classique (2D).

Abstract : The near field of turbulent jets with variable density is experimentally investigated with Particle Image Velocimetry. The objective is to emphasize the influence of several parameters on the mixing between a jet (Helium, Air or CO 2 ) with an air coflow. Whereas no noticeable influence of the injection ratio could be observed, the density ratio appears to play a major role on the jet development. Besides a rectangular geometry (3D) provides mixing enhancement in comparison with a conventional circular geometry (2D).

Mots clés :

mélange, jets à masse volumique variable, géométrie variable, Vélocimétrie par Imagerie de Particules

1 Introduction

L’étude des jets à masse volumique variable a fait l’objet de nombreuses études expérimentales et numériques (Antonia et Bilger (1973), Pitts (1991), Sanderset al.(1997)). Ce type de configuration est en effet représentatif de dispositifs industriels tels que brûleur de chambre de combustion, torche à plasma, moteur fusée,... Les jets turbulents y sont fortement utilisés pour obtenir un mélange préalable à la phase de combustion par l’intermédiaire de forts taux d’entraînement. On constate cependant que très peu d’études ont porté sur la phase initiale du mélange  autrement dit dans la zone proche du jet  et sur l’influence de la géométrie de la section de sortie. On peut citer les études en géométrie circulaire de Djeridane et al.ou Malmström (1996)et al. (1997) et en géométrie rectangulaire de Sarh et Gökalp (1991) ou Krothapalliet al.(1981).

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On se propose ici d’étudier l’effet de la variation de la masse volumique et de la géométrie de la section de sortie (circulaire et rectangulaire) sur les processus de mélange de jets turbulents subsoniques verticaux. La variation de densité est obtenue par transfert de masse résultant du mélange monophasique entre deux gaz non réactifs. A partir d’une exploration du champ dynamique par Vélocimétrie d’Imagerie de Particules (P.I.V.) dans des plans verticaux, on présente ici quelques résultats obtenus sur l’axe du jet et dans des profils radiaux.

2 Dispositif expérimental et conditions d’essais

L’étude est réalisée dans une veine verticale (hauteur 2 m) de section carrée (0,3×0,3 m²), munie de parois en verre de qualité optique. Le jet est injecté au centre du caisson, dans la partie inférieure de la veine, par une buse interchangeable de section circulaire ou rectangulaire de diamètres équivalents identiques (D j = 7 mm) (cf. figure 1). En sortie de buse, le jet de gaz (hélium, air ou dioxyde de carbone) est turbulent et pleinement développé. Il débouche dans le caisson avec une vitesse moyenne U j  (entre40 et 60m/s). Le cocourant d’air, de vitesse moyenne U e m/s), est généré grâce à un ventilateur. Afin1,6 à 4,2 (de d’homogénéiser et d’uniformiser la vitesse de cet écoulement, l’air traverse une structure divergenteconvergente où sont disposées des plaques en nids d’abeilles. Les paramètres qui gouvernent cette étude sont le nombre de Reynolds du jet  U D U j j e e = = Re=, le rapport d’injectionmet le rapport de densitéR  . Les conditions j  U  j j j expérimentales sont présentées dans le tableau cidessous : Hélium Air CO 2 Re j 348003700 19400 m0,039 ; 0,082 ; 0,1050,039 ; 0,082 ; 0,1050,039 ; 0,070 R  0,667,2 1,0 TAB. 1 :Conditions expérimentales L’acquisition du champ dynamique s’effectue par Vélocimétrie d’Imagerie de Particules. Le système est composé de deux lasers Nd:YAG (25 mJ par pulse), d’un téléscope sphéro cylindrique pour obtenir un plan laser d’épaisseur d’environ 500µm, d’une caméra CCD haute résolution et d’un système de synchronisation, d’acquisition et de traitement d’images. La nappe laser est verticale et passe par l’axe du jet (cf. figure 1). La taille de la zone d’observation obtenue (centrée sur la sortie de buse) est de 140×150 mm². L’ensemencement du jet est assuré par un fin brouillard de particules d’huile d’olive de diamètre moyen 1,5µm (déterminé par anémométrie phase Doppler).

3 Résultats et discussion

Quelle que soit la configuration étudiée, les visualisations instantanées (cf. figure 2) et les cartographies du champ dynamique (cf. figure 3) montrent une structure classique des jets turbulents avec trois zones caractéristiques: zone inertielle, zone intermédiaire et zone de flottabilité. On observe notamment bien la zone d’établissement de l’écoulement dès la section de sortie où les couches de mélange se développent jusqu’à se rejoindre sur l’axe.

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La figure 4 présente l’évolution de la vitesse longitudinale sur l’axe, notée U c , en fonction de la distance à la buse adimensionnée pour les trois gaz étudiés. On retrouve ici l’évolution de type hyperbolique caractéristique des jets à masse volumique variable. On remarque que, quelle que soit la géométrie de la buse, le rapport d’injection a peu d’influence (dans la gamme de variation de cette étude). En revanche, le rapport de densité influe fortement sur l’épanouissement des jets. Ainsi, on observe que les gaz légers (hélium) se mélangent plus rapidement avec le cocourant que les gaz lourds (CO 2 ). Les résultats que nous présentons maintenant se limitent à l’étude de l’influence de la géométrie de la section de sortie et du rapport de densité, à rapport d’injection donné. L’évolution axiale de l’énergie cinétique de la turbulence k est donnée sur la figure 5. On 1 calcule k à partir des mesures des fluctuations de vitesse: k = u'² + 2  la sectionv' pour 2 1 circulaire (v’= w’par symétrie) etk = u'² + v'² + la section rectangulaire (lesw' pour 2 mesures axiales dans les deux directions ont été relevées aux mêmes positions). On observe, quel que soit le gaz étudié, que l’évolution de l’énergie cinétique passe par un maximum et la position axiale de ce maximum est considérée comme la limite du coeur potentiel. On remarque que ce maximum est d’autant plus proche de la section de sortie que le gaz est léger. Ce résultat en bon accord avec la littérature (Pagé (1998), Sautet (1992)) prouve l’influence prépondérante du rapport de densité. De plus, il apparaît que le passage d’une géométrie circulaire à une géométrie rectangulaire accélère le développement du jet. Ceci est dû à la géométrie 3D qui augmente les intensités de turbulence. Enfin, à partir des relevés radiaux de la vitesse longitudinale nous avons déduit la demi épaisseur dynamique Lu (cf. figure 6), Lu étant la distance radiale à l’axe du jet pour laquelle U = U c / 2. On observe de nouveau un épanouissement du jet d’autant plus rapide que le gaz est léger. Le passage à une géométrie rectangulaire semble améliorer le mélange entre le jet et le cocourant. Il est à noter dans le cas du jet rectangulaire une intersection des demi épaisseurs dynamiques selon le grand axe et le petit axe. Ce phénomène d’«inversion des axes », typique des jets à géométrie 3D, a été observé notamment par Krothapalliet al.(1981).

4 Conclusion

Cette étude expérimentale porte sur l’analyse du champ proche de jets à masse volumique variable et à géométrie de section de sortie variable. A partir de relevés obtenus par Vélocimétrie par Imagerie de Particules, nous avons pu mettre en évidence la forte influence du rapport de densité et de la géométrie de la buse sur l’épanouissement du jet. En revanche l’influence du rapport d’injection semble négligeable. Ainsi on a observé que le développement du jet est d’autant plus rapide que le gaz est léger et que le mélange jet / cocourantest favorisé par une section de sortie de géométrie rectangulaire (3D) par rapport à une géométrie circulaire (2D). Dans la suite du travail, l’obtention du champ scalaire est envisagée afin de caractériser l’entraînement ainsi qu’une comparaison de nos résultats avec des simulations numériques.

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Références Antonia, R.A. et Bilger, R.W. 1973 An experimental investigation of an axisymmetric jet in a coflowing air stream,J. Fluid Mech.,61, Part 4, pp. 805822. Djeridane, T., Amielh, M., Anselmet, F. et Fulachier, L. 1996 Velocity turbulence properties in the nearfield region of axisymmetric variable density jets,Phys. Fluids,8, n° 6, pp. 16141630. Krothapalli, A., Baganoff, D. et Karamcheti, K. 1981 On the mixing of a rectangular jet, J. Fluid Mech.,107, pp. 201220. Malmström, T.G., Kirkpatrick, A.T., Christensen, B. et Knappmiller, K. 1997 Centreline velocity decay measurements in lowvelocity axisymmetric jets,J. Fluid Mech.,346, pp. 363377. Pagé, J. 1998 Contribution à l’étude des jets turbulents axisymétriques à masse volumique variable,Thèse de doctorat,Université d’Orléans. Pitts, W.M. 1991 Effects of global density ratio on the centerline mixing behavior of axisymmetric turbulent jets,Exp. Fluids,11, pp. 125134. Sanders, J.P.H., Sarh, B. et Gökalp, I. 1997 Variable density effects in axisymmetric isothermal turbulent jets: a comparison between a first and a secondorder turbulence model, Int. J. Heat Mass Transfer,40, n° 4, pp. 823842. Sarh, B. et Gökalp, I. 1991 Variable density effects on the mixing of turbulent rectangular jets, Eight Symp. on Turb. Shear Flow,Technical University of Munich, pp. 6.4.16.4.6. Sautet, J.C. 1992 Effets des différences de densités sur le développement scalaire et dynamique des jets turbulents,Thèse de doctorat,Université de Rouen.

FIG. 1 :Schéma du dispositif expérimental

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X

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Z Uj Ue Ue

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0 10 50 510 2 r / Dj FIG. 2 :Visualisation instantanée. :e vitessesamp moyen Section circulaireSection rectangulaire grand axe CO 2 / Air  R  = 0,66  m = 0,039Air / Air  R  = 1,0  m = 0,082 (U U )/(U U )(U U )/(U U )(U U )/(U U ) j ec ej ec ej ec e (a)(b) (c) 20 Section circulaire 3.0 Section rectangulaire grand axe 3.0 Section rectangulaire petit axe

15

10

5

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0 0.0 0.0 0 3 6 9 1215 180 3 6 912 15 180 3 6 9 1215 18 X/D X/D X/D j j j FIG. 4 :Décroissance axiale de la vitesse longitudinale : (a) Hélium / Air  R  = 7,2, (b) Air / Air  R  = 1,0, (c) CO 2 / Air  R  = 0,66 (!,m = 0,039 ;!,m = 0,070 ;",m = 0,082 ;#,m = 0,105)

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100k/(U U )² j e 5.0

4.0

3.0

2.0

1.0

100k/(U U )² j e (a) 1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

100k/(U U )² j e (b) 1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

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(c)

0.0 0.0 0.0 0 3 6 9 1215 180 3 6 9 1215 180 3 6 9 1215 18 X/D X/D X/D j j j FIG. 5 :Évolution axiale de l’énergie cinétique de la turbulence (a) Hélium / Air  R  = 7,2, (b) Air / Air  R  = 1,0, (c) CO 2 / Air  R  = 0,66 ( Section :!, circulaire;#, rectangulaire) Lu/D Lu/D Lu/D j j j (a)(b)(c) 1.6 1.6 1.6

1.2

0.8

0.4

1.2

0.8

0.4

1.2

0.8

0.4

0.0 0.0 0.0 0 3 6 912 15 180 3 6 912 15 180 3 6 912 15 18 X/D X/D X/D j j j FIG. 6 :Évolution axiale de la demiépaisseur dynamique (a) Hélium / Air  R  = 7,2, (b) Air / Air  R  = 1,0, (c) CO 2 / Air  R  = 0,66 ( Section :!;, circulaire", rectangulairepetit axe ;#grand axe, rectangulaire)

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