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École doctorale ED 353 : Sciences pour l’ingénieur
Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
THÈSE
pour obtenir le titre de
Docteur d’Aix-Marseille Université
Spécialité : Énergétique
présentée par :
Julien DUBOIS
ÉTUDE EXPÉRIMENTALE DE JETS LIBRES,
COMPRESSIBLES OU EN PRÉSENCE D’UN
OBSTACLE
dirigée par Fabien ANSELMET et par Muriel AMIELH
suivie en entreprise par Olivier GENTILHOMME
soutenue publiquement le14 Juin 2010, devant le jury composé de :
Monsieur Pierre MILLAN Rapporteur et Président du Jury
Monsieur Philippe MARTY Rapporteur
Madame Muriel AMIELH Examinateur
Monsieur Fabien ANSELMET Examinateur
Monsieur Roland BORGHIateur
Monsieur Olivier GENTILHOMME Examinateur
Monsieur Étienne STUDER Examinateur2"Hâtez-vous lentement, et sans perdre courage.
Vingt fois sur le métier remettez votre ouvrage."
(Boileau, 1674)Résumé
L’objectif de ces travaux est d’étudier expérimentalement la dis-
persion d’hydrogène pour évaluer l’impact des fuites chroniques ou acci-
dentelles qui peuvent intervenir en milieu libre ou encombré, à faible ou
à forte pression, sur un véhicule fonctionnant avec une pile à combus-
tible. Les fuites étudiées sont assimilées à des jets verticaux, turbulents,
axisymétriques, à densité variable, et issus d’orifices cylindriques de 1 à
3 mm de diamètre.
Un banc expérimental a été conçu pour étudier ces fuites : l’hy-
drogène a été remplacé par de l’hélium pour des raisons de sécurité. Il
résiste à une pression de 200 bars et permet de positionner un obstacle
dans le jet. La technique BOS (Background Oriented Schlieren) a été
adaptée aux jets millimétriques et à la présence d’un obstacle. Un soin
particulier à été apporté à la mise en place de cette technique.
Les résultats obtenus sont en accord avec ceux de la littérature
quand il en existe. De nouvelles lois de similitude sont proposées, plus
représentatives de la physique des jets : libres subsoniques, libres sous-
détendus, et subsoniques en présence d’un obstacle (sphère). À partir de
l’analysedelastructurecompressibledesjetssous-détendus,denouvelles
loissontaussiproposéespourestimerlapositionetlediamètredudisque
deMachpuislalongueurducônepotentiel.Enfin,deuxloisd’estimation
du volume et de la masse inflammables de jets libres d’hydrogène sont
proposées : elles sont fonction du débit massique de la fuite.
iiiivEXPERIMENAL STUDY OF FREE JETS AND JETS WITH
COMPRESSIBLE EFFECTS OR IMPINGING AN OBSTACLE
vAbstract
The aim of this work is to experimentally investigate the hydrogen
dispersion to evaluate the impact of chronic or accidental leaks that may
occur in a free or in a congested environment, from a low or a high
pressure tank, on a fuel cell vehicle. The leaks are assimilated to vertical
turbulent and axisymmetric jets with variable density. They are issued
from cylindrical orifices from 1 to 3 mm diameter.
An experimental set-up was designed to investigate the leaks : hy-
drogen has been replaced by helium for safety reasons. It supports a 200
bar pressure and allows to position an obstacle in the jet flow. The BOS
(Background Oriented Schlieren) technique has been adapted to milli-
meter jets and to the presence of an obstacle. Particular attention has
been given to the development of this technique.
Theresultsshowgoodagrementwiththeavailablelitteraturedata.
New similarity laws are proposed, more representative of the flows of :
subsonic free jets, under-expanded free jets, and subsonic impinging (a
sphere)jets.Fromthestructureanalysisofcompressibleunder-expanded
free jets, new relations are proposed to estimate the Mach disk position
and diameter as well as the potential core length. Finally, two new laws
are found from the analysis of flammable volume and flammable mass :
they are based on the leak mass flow rate.
vii