Contribution to the study of axisymmetric turbulent jets with variable density
Contribution à l'étude des jets turbulents axisymétriques à masse volumique variable
Résumé
This experimental study is a contribution to improving our knowledge of the influence of density variation on the development of the dynamic and scalar fields of axisymmetric turbulent gas jets developing in an air co-current. The various gases studied are helium, methane, air and co#2, giving the following density ratios respectively: 7.2; 1.8; 1 and 0.667. The velocity ratio between the jet and the co-current is kept constant (0.075). The gas jets emerge from a circular tube into a mixing chamber. Complete axial and radial determination of the dynamic field (mean velocities, variances, 3rd and 4th order moments) was carried out using two-component laser Doppler velocimetry, with particular attention paid to optimizing the seeding system (generation of an olive oil droplet mist with a diameter of 1.5 m). The influence of density variation is noticeable on all measured quantities. Gas jets mix faster with the air co-current than heavy gas jets. Our knowledge of the instantaneous dynamic field has enabled us to use programs for calculating spectral energy densities (based on an exact interval method and fast Fourier transforms) to obtain spectra for each of the axial positions explored. In this way, we were able to deduce the characteristic scales of turbulence in our variable-density jets (length macro-scale, Taylor and Komogorov scales), as well as other important quantities (turbulent kinetic energy dissipation rate, turbulent Reynolds number and time macro-scale). The influence of the density ratio on these quantities is also noteworthy. Finally, the scalar field was explored using laser-induced Rayleigh light scattering on the same gases. For each gas, we obtained the longitudinal and radial evolution of the mole fraction, and then deduced the evolution of the mixing fraction and density.
Cette étude expérimentale est une contribution à l'amélioration des connaissances de l'influence de la variation de la masse volumique sur le développement des champs dynamique et scalaire de jets turbulents axisymétriques de gaz se développant dans un co-courant d'air. Les différents gaz étudiés sont l'hélium, le méthane, l'air et le co#2, donnant respectivement le rapport des densités suivant : 7,2 ; 1,8 ; 1 et 0,667. Le rapport des vitesses entre le jet et le co-courant est maintenu constant (0,075). Les jets de gaz, issus d'un tube circulaire, débouchent dans un caisson de mélange. La determination complète, tant axiale que radiale, du champ dynamique (vitesses moyennes, variances, moments d'ordre 3 et 4) a été faite grâce à la vélocimétrie doppler laser a deux composantes, ceci en apportant un soin tout particulier à l'optimisation du système d'ensemencement (génération d'un brouillard de gouttelettes d'huile d'olive ayant un diamètre de 1,5 m). L'influence de la variation de densité est notable sur toutes les grandeurs mesurées. Les jets de gaz se mélangent plus vite avec le co-courant d'air que les jets de gaz lourds. La connaissance du champ dynamique instantané nous a permis, à partir de programmes de calcul des densités spectrales d’énergie (bases sur une méthode par intervalles exacts et des transformées de Fourier rapides) d'obtenir des spectres pour chacune des positions axiales explorées. Ainsi, nous avons pu en déduire les échelles caractéristiques de la turbulence dans nos jets à masse volumique variable (macro-échelle de longueur, échelle de taylor et de komogorov), ainsi que d'autres grandeurs importantes (taux de dissipation de l’énergie cinétique de la turbulence, nombre de reynolds turbulent et macro-échelle de temps). L'influence du rapport des densités est également notable sur ces grandeurs. Enfin, une exploration du champ scalaire a été réalisée par la technique de la diffusion de la lumière par effet rayleigh induit par laser sur les mêmes gaz. Nous avons alors obtenu pour chaque gaz les évolutions longitudinales et radiales de la fraction molaire, pour ensuite en déduire l'évolution de la fraction de mélange ainsi que celle de la masse volumique.
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