L'étude porte sur une couche de mélange plane horizontale générée par la rencontre de deux écoulements parallèles à vitesse et température différentes. Le mélange turbulent est analysé pour différentes conditions initiales en termes de gradients de vitesse et de température. On distingue en particulier des configurations en régime de stratification stable et instable sous l'effet des forces de flottabilité. L'analyse des corrélations entre les fluctuations de vitesse et de température s'appuie sur la technique expérimentale d'anémométrie à température de fil variable (PCTA), qui permet la mesure instantanée de la vitesse et de la température en un même point grâce à la variation périodique et par palier du coefficient de surchauffe du fil chaud utilisé. Un premier travail a consisté à étendre la technique PCTA à l'utilisation de fils croisés pour la mesure simultanée de la température et de deux composantes de la vitesse. Dans un premier temps, les statistiques en un point permettent d'identifier les caractéristiques de l'écoulement dans la région de similitude et d'y établir les équations de bilan pour l'énergie cinétique turbulente, l'intensité des fluctuations de température et les flux de quantité de mouvement et de chaleur. Il apparaît, vu les faibles nombres de Richardson en jeu (Rif<0,03), que les forces de flottabilité sont quasi-négligeables devant les moteurs principaux du mouvement. Pourtant, ce forçage thermique peu énergétique est suffisant, en configuration instable, pour augmenter significativement le taux d'expansion et la contrainte de cisaillement, ce qui correspond de fait à une augmentation de la production de turbulence. L'analyse des densités de probabilité jointes permet ensuite de mettre en évidence les mécanismes et évènements qui contribuent significativement aux flux transversaux de quantité de mouvement et de chaleur. Ces différentes contributions sont différenciées et quantifiées par une analyse en quadrants qui fait ressortir la prépondérance des mouvements d'entraînement et d'éjection. On examine enfin les statistiques en deux points associées aux incréments de vitesse et de température. Le comportement de ces incréments est étudié à travers leurs densités de probabilité et leurs coefficients de dissymétrie et d'aplatissement. Les exposants des fonctions de structure confirment l'intermittence plus grande de la température par rapport à celle de la vitesse. Les différents termes des équations de Kolmogorov et de Yaglom sont mesurés. L'équilibre de ces bilans par échelle permet de quantifier le terme qui intègre les différents forçages proposés dans la littérature. / The turbulent mixing is studied in a plane mixing layer for a range of initial conditions applied in terms of velocity and temperature gradients between the two parallel inlet flows. A particular attention is paid to the effect of buoyancy forces, especially in the difference between the so-called stable and unstable configurations, in relation to the sign of the vertical temperature gradient applied. In this study, the novel experimental technique called PCTA, for Parameterizable Constant Temperature Anemometry, is used to enable the analysis of correlations between the velocity and temperature fluctuations. In a preliminary work, the PCTA technique, based on the implementation of repetitive multiple-overheat patterns to a hot wire, is extended and adapted for the instantaneous measurement of temperature and two components of velocity with X-wire probes. In a first stage, one point statistics are analysed. They provide a description of the flow features in the similarity region, where the balance equations for turbulent kinetic energy, temperature variance and the momentum and heat fluxes are established. Considering the low Richardson numbers at stake (Rif <0.03), the buoyancy forces appear logically to be quantitatively negligible compared to the main driving forces, but such a low energy forcing mechanism is in fact sufficient, in unstable configuration, to significantly increase the shear stress and the expansion rate of the mixing layer, both phenomena being associated to an enhanced production of turbulence. In a second stage, a joint probability density function analysis highlights the mechanisms and events that significantly contribute to the transverse momentum and heat fluxes. These contributions are differentiated and quantified through a quadrant analysis which emphasizes the dominance of the local movements of entrainment and ejection associated to the Kelvin-Helmholtz structures. Finally, the study focuses on the two points statistics associated with velocity and temperature increments. The behaviour of these increments is studied through their probability densities, examined along with the skewness and kurtosis coefficients. The structure function exponents confirm the stronger intermittency of temperature compared to that of the velocity. The different terms of the Kolmogorov and Yaglom equations are estimated. The balance of these scale budgets allows the quantification of the forcing term that has been introduced in the literature.

Ce travail de thèse concerne l'étude expérimentale d'un jet perpendiculaire à un écoulement principal (``jet in crossflow'') dans une soufflerie en circuit fermé. Suivant la valeur du rapport de vitesse entre les deux écoulements r, ce jet rectangulaire confiné se trouve en situation d'interaction voire d'impact avec la paroi opposée à celle dont il est issu. Le jet est faiblement marqué en température (environ 10°C), afin de rester dans le cas du scalaire passif. Une amélioration du dispositif expérimental a été mise en oeuvre afin d'obtenir des conditions aux limites thermiques compatibles avec la mesure de faibles écarts de température imposés par le scalaire passif. Du point de vue métrologique, on utilise l'anémométrie et la thermométrie à fil chaud / fil froid, l'ensemble de la chaîne anémométrique étant réalisé au laboratoire. Des sondes à fil de Wollaston (Pt-Rh) de 0,35µm de diamètre sont associées à un thermomètre et un anémomètre à tension constante optimisés pour maximiser le rapport signal sur bruit. Les différents résultats sont obtenus à la fois grâce à des visualisations par caméra rapide pour différents rapports de vitesse (r compris entre 3 et 12), et grâce aux mesures locales par fil chaud / fil froid, dans le cas particulier de deux rapports de vitesses (r=3.3 et 9.4). Les propriétés de mélange du scalaire sont étudiées par le tracé de cartographies des grandeurs statistiques de vitesse et température dans des plans de coupe perpendiculaires aux trois axes. L'analyse du contenu spectral des signaux en différents points caractéristiques met en évidence des caractéristiques du comportement dynamique instationnaire du jet.

L'étude porte sur une couche de mélange plane horizontale générée par la rencontre de deux écoulements parallèles à vitesse et température différentes. Le mélange turbulent est analysé pour différentes conditions initiales en termes de gradients de vitesse et de température. On distingue en particulier des configurations en régime de stratification stable et instable sous l'effet des forces de flottabilité. L'analyse des corrélations entre les fluctuations de vitesse et de température s'appuie sur la technique expérimentale d'anémométrie à température de fil variable (PCTA), qui permet la mesure instantanée de la vitesse et de la température en un même point grâce à la variation périodique et par palier du coefficient de surchauffe du fil chaud utilisé. Un premier travail a consisté à étendre la technique PCTA à l'utilisation de fils croisés pour la mesure simultanée de la température et de deux composantes de la vitesse. Dans un premier temps, les statistiques en un point permettent d'identifier les caractéristiques de l'écoulement dans la région de similitude et d'y établir les équations de bilan pour l'énergie cinétique turbulente, l'intensité des fluctuations de température et les flux de quantité de mouvement et de chaleur. Il apparaît, vu les faibles nombres de Richardson en jeu (Rif<0,03), que les forces de flottabilité sont quasi-négligeables devant les moteurs principaux du mouvement. Pourtant, ce forçage thermique peu énergétique est suffisant, en configuration instable, pour augmenter significativement le taux d'expansion et la contrainte de cisaillement, ce qui correspond de fait à une augmentation de la production de turbulence. L'analyse des densités de probabilité jointes permet ensuite de mettre en évidence les mécanismes et évènements qui contribuent significativement aux flux transversaux de quantité de mouvement et de chaleur. Ces différentes contributions sont différenciées et quantifiées par une analyse en quadrants qui fait ressortir la prépondérance des mouvements d'entraînement et d'éjection. On examine enfin les statistiques en deux points associées aux incréments de vitesse et de température. Le comportement de ces incréments est étudié à travers leurs densités de probabilité et leurs coefficients de dissymétrie et d'aplatissement. Les exposants des fonctions de structure confirment l'intermittence plus grande de la température par rapport à celle de la vitesse. Les différents termes des équations de Kolmogorov et de Yaglom sont mesurés. L'équilibre de ces bilans par échelle permet de quantifier le terme qui intègre les différents forçages proposés dans la littérature.

La présente étude a pour objectif d’évaluer l’effet de l’augmentation du jeu fonctionnel en tête d’aube de la roue mobile sur les performances globales et les instabilités aérodynamiques en compresseur centrifuge à fort taux de pression. Pour ce faire, le compresseur TM-Pi9, développé et produit par Turbomeca, installé sur le banc d’essai 1 MW du Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’acoustique, a servi de support de recherche. Les mesures de performances globales, associées à des sondages par anémométrie LASER à effet Doppler ainsi que des enregistrements de pression instationnaire au carter, sur l’ensemble de l’étage de compression, ont permis d’acquérir une base de données expérimentales dans deux configurations de jeu, de la vitesse nominale (Nn) à la vitesse de ralenti (0.6 Nn). Ces résultats sont confrontés et complétés par des simulations numériques stationnaires, instationnaires chorochroniques et 360°, convergées avec le code elsA développé par l’ONERA et le CERFACS.À la vitesse de croisière, l’élargissement du jeu en tête d’aubage de 6% à 10% (taille du jeu au niveau du bord de fuite des aubes rapportée à la hauteur de veine en sortie de rouet) génère une hausse des débits de jeu, sensiblement proportionnelle à l’augmentation de l’espace fonctionnel. L’accroissement des débits de jeu ne modifie pas la position du sillage de la structure jet-sillage qui reste localisé autour de l’aube intercalaire. Le sillage devient néanmoins plus large. La modification de géométrie engendre principalement une dégradation du taux de pression de l’étage (~3%), imputable aux pertes non-visqueuses dans le rouet, c’est-à-dire une sous-déviation de l’écoulement imposée par le jet issu du jeu. L’élargissement de la hauteur de l’espace fonctionnel provoque une baisse du débit de blocage, conséquence de la réduction de la pression statique au niveau du col du diffuseur. Le rendement de l’étage subit expérimentalement une dégradation de 1%, au point de fonctionnement rendement maximum et aucune évolution proche pompage. La modification du rendement est soumise à deux effets opposés. D’une part, l’augmentation des débits de jeu provoque plus de pertes visqueuses au sein de l’ensemble des écoulements de jeu. Mais d’autre part, le sillage étant plus large, les structures tourbillonnaires sont moins confinées ; en résulte une diminution de la vorticité. L’accumulation d’entropie dans le sillage est ainsi plus faible. Quelles que soient la vitesse de rotation et la configuration de jeu, le pompage est initié de manière brutale dans le diffuseur aubé par un décollement de couches limites sur la face en dépression des aubages, proche du moyeu. Cette séparation résulte de l’interaction entre la couche limite de coin et l’onde de choc détachée du bord d’attaque des aubes du diffuseur. À faible vitesse de rotation et petit débit, une instabilité aérodynamique affecte l’inducteur du rouet (zone située entre le bord d’attaque des aubes principales et le bord d’attaque des aubes intercalaires). Elle peut être associée à une « instabilité tournante du tourbillon de jeu » qui est induite par une surincidence de l’écoulement sur les aubes principales du rouet. Il s’agit d’un phénomène de mild-stall précurseur d’un décollement tournant progressif dans le rouet. Ce dernier n’est cependant pas enregistré car le diffuseur induit le pompage à débit plus important. Des systèmes de contrôle d’écoulement dans le diffuseur et dans le rouet sont alors proposés, afin d’élargir la plage de fonctionnement du compresseur. / This present study is focused on the effect of the impeller blades tip clearance increase on the overall performance and aerodynamic instabilities in high-pressure centrifugal compressor. The test case is a centrifugal compressor stage (TM-Pi9) designed and built by Turbomeca which is used in a helicopter engine. The compressor stage is mounted on the 1 MW test rig of the Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique at the Ecole Centrale de Lyon in France. Experimental investigations consist in the overall performance acquisitions, LASER Doppler Anemometry measurements and unsteady pressure measurements up to 150 KHz for two tip clearance configurations from the nominal rotation speed to 60% of the nominal rotation speed. Steady and unsteady (phase-lagged and full simulations) simulations are also performed using the elsA code developed by the ONERA and CERFACS. Two tip clearances are tested. In the first case used as reference, the tip gap represents 6% of the section height at the impeller exit. In the second case, the impeller is moved axially, which results in an increased tip gap essentially in the radial part of the impeller. Thus in the second case, the tip clearance at the impeller exit corresponds to 10% of the section height. At the cruise rotation speed, from the reference to the increased tip clearance configurations, the tip leakage mass flows are increased. The tip leakage mass flow increase is quasi-proportional to the tip clearance height enlargement. But the position of the wake of the jet-wake flow pattern is not affected by the modification of the tip leakage mass flows. However the wake becomes wider. The tip clearance modification mainly deteriorates the total-to-static pressure ratio (~3%),which is due to inviscid losses in the impeller (under-deviation of the flow near the blades tip). A lower choking mass flow is reached in the increased tip clearance case compared with the reference configuration, due to the static pressure drop at the diffuser throat. The isentropic stage efficiency is experimentally decreased by 1% at the peak efficiency operating point. Near surge, no change in the stage efficiency is measured. From the reference to the increased tip clearance configurations, the stage efficiency is, in fact, subject to two opposite effects. On the one hand, higher tip leakage mass flows cause more viscous losses in the tip leakages and vortices. On the other hand, the wake of the jet-wake flow pattern being wider, the vortices are less confined, resulting in a decrease of the vorticity. The accumulation of entropy in the wake is thus weaker. Whatever the tip clearance configuration and the rotation speed, the surge is triggered by a boundary layer separation near the hub on the suction side of the diffuser vanes. This separation is due to the interaction between the corner boundary layer and the shock wave detached from the leading edge of diffuser vanes. At low rotation speed, disturbances in the inducer (between the leading edge of the main blade and the leading edge of the splitter blade) were recorded. These disturbances can be associated to “rotating tip clearance disturbances” which are generated by the over-flow-incidence on the impeller main blades. This phenomenon is a mild-stall precursor of a rotating stall in the impeller. The rotating stall in the impeller is not recorded because the surge occurs in the diffuser at higher mass flow. Active and passive flow control systems in the diffuser and the impeller are proposed in order to increase the operating range of the TM-Pi9 compressor.

Les jets annulaires turbulents sont des écoulements soumis à de fortes instabilités qui peuvent devenir un handicap pour certaines applications industrielles (procédés de fibrage du verre, ventilation individuelle, ventilation opérationnelle, brûleurs, neige de culture ...). Ces écoulements particuliers de jets axisymétriques sont complexes puisqu'ils regroupent des phénomènes de sillage et de mélange. L'objectif de cette étude est de déterminer des méthodes de contrôle de la zone initiale des jets annulaires d'air de très grand rapport de diamètres (r=0,91), pour des nombres de Reynolds élevés (Ree=5130, Ree=2565, Ree=1368, e étant l'épaisseur de l'anneau de jet de 2,565mm), afin de répondre aux attentes des industriels mais aussi de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu dans la formation de l'écoulement. Deux méthodes ont été étudiées. Une voie de contrôle passif par modification de géométrie de l'obstacle central a permis d'agir sur le sillage et de modifier la morphologie du jet. Les jets annulaires basique, conique et sphéroïdal ont été comparés pour obtenir des jets plus efficaces pour certaines applications. Un contrôle actif par forçage acoustique a été appliqué au jet annulaire basique afin de réduire le battement du jet autour de son axe sans modifier la géométrie de la buse. Différents paramètres de forçage (fréquence, position de l'excitation, phase de l'onde) ont été observés pour déterminer une configuration efficace de contrôle des instabilités de l'écoulement. Les méthodes de diagnostic utilisées sont intrusives (anémométrie par fil chaud) ou non intrusives (Tomographie rapide, Vélocimétrie par Images de Particules, Anémométrie Doppler Laser 2D et 3D) et sont complétées par un post-traitement de Décomposition Orthogonales en Modes Propres (P.O.D.) pour analyser les structures cohérentes de l'écoulement et déterminer l'influence du contrôle passif ou actif sur ces structures de différentes échelles. Une Simulation Numérique Directe (D.N.S.) est enfin proposée pour modéliser le contrôle passif des écoulements de jets annulaires turbulents de très grands rapports de diamètres.

Cette étude expérimentale et numérique porte sur la caractérisation des écoulements de type rotor-stator soumis à un flux axial selon deux angles: turbulence et stabilité.<br /><br />De nouvelles mesures par LDA sont comparées aux prévisions d'un modèle avancé de transport des tensions de Reynolds essentiellement pour les écoulements turbulents à couches limites séparées. Cette confrontation a permis d'approfondir les propriétés des écoulements confinés soumis à une forte rotation. Dans le cas d'une cavité fermée ou lorsqu'un flux centripète est imposé, la structuration de l'écoulement est de type Batchelor: la couche limite du rotor et celle du stator sont séparées par un noyau central en rotation. La vitesse tangentielle dans le noyau est proportionnelle à la vitesse locale du disque avec un coefficient de proportionnalité K. Ce coefficient peut être déterminé à partir d'un coefficient local de débit selon une loi analytique dont les deux coefficients dépendent uniquement du taux de prérotation du fluide. Cette loi est indépendante de l'espace interdisque et de la géométrie. Pour de forts flux centrifuges, la structuration de l'écoulement devient de type Stewartson avec une couche limite unique sur le rotor. La transition entre ces deux structurations peut être caractérisée par un nombre de Rossby basé sur l'espace radial entre le rotor et le cylindre extérieur. Cette transition est continue et indépendante de la géométrie de la cavité. La turbulence est concentrée dans les couches limites et augmente du centre vers la périphérie du disque. Lorsqu'un flux est imposé, la zone relaminarisée proche de l'axe observée en cavité fermée, disparaît et la turbulence est maximale près des zones d'entrée et de sortie du fluide.<br /><br />L'influence d'un flux sur la stabilité des écoulements de type Couette de torsion à couches limites jointes, de type mixte et de type Batchelor a également été étudiée à partir de visualisations de l'écoulement. Les réseaux de cercles concentriques et de spirales mais aussi les ondes solitaires et les spots turbulents observés en cavité fermée subsistent en présence d'un flux mais les seuils d'apparition et de disparition sont décalés. De nouvelles instabilités essentiellement sous la forme de spirales apparaissent également. Une instabilité de type ``crossflow'', générique de ce type d'écoulement, a été observée. Elle se développe sous la forme de spirales positives, notées RSJ2, localisées en périphérie de la cavité. Elle est due au point d'inflexion dans le profil axial de la composante radiale de la vitesse.

Ces travaux concernent l'étude expérimentale e analytique de la turbulence en phase de développement dans les fluides hétérogènes à densité et à viscosité variable. Ils font appel à des outils de diagnostics expérimentaux (anémométrie à fil chaud, technique de diffusion Rayleigh, Vélocimétrie Doppler Laser), et au formalisme des équations de Navier-Stockes à viscosité variable. L'innovation porte sur l'indépendance de la mesure de la vitesse. Après sa validation, la plate-forme expérimentale est exploitée pour l'étude comparative d'un jet de propane émergeant dans un milieu air-néon, à viscosité et densité variable, avec un jet d'air classique, à même quantité de mouvement injectée initialement. Ce travail se poursuit ensuite par un approfondissement des propriétés dans le champ proche, complétés par une approche analytique à partir des réécritures des équations de Navier-Stokes à viscosité variable.

Le présent travail s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre le Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique à l'École Centrale de Lyon (LMFA-ECL), Turbomeca et l'ONERA. Le sujet de recherche porte sur l'interaction rouet-diffuseur et sur l'entrée en régime de pompage d'un étage de compresseur centrifuge transsonique à fort taux de compression étudié à vitesse de rotation de croisière (0,927Nn). L'alimentation des analyses est réalisée par trois méthodes de mesures et deux types de simulations numériques. Le module d'essai est installé sur le banc d'essai 1 MW du LMFA. La caractérisation expérimentale du compresseur TM est réalisée par le biais de mesures de pression et température auxquelles sont adjointes des mesures du débit et de la vitesse de rotation de la roue mobile. La description de l'écoulement interne au compresseur s'appuie sur les résultats de sondages par Anémométrie Laser à effet Doppler (LDA) et de mesures de pression à haute fréquence. Les simulations numériques sont réalisées par l'intermédiaire du code de calcul elsA développé par l'ONERA, qui permet de résoudre le système d'équations de Navier-Stokes couplé à un modèle de turbulence k-l de Smith. Deux modélisations de l'interaction rouet-diffuseur permettent de générer des champs aérodynamiques stationnaires (modèle plan de mélange) et instationnaires (modèle chorochronique). La comparaison entre les données expérimentales et numériques est très satisfaisante et permet alors de profiter pleinement de la richesse des informations numériques. L'examen détaillé de l'écoulement interne au rouet pour trois points de fonctionnement (à débit bloqué, à rendement maximum et à proximité du pompage) révèle que, du blocage vers le pompage, l'évolution de l'intensité et de la taille du tourbillon de jeu est le point de départ d'un enchaînement de mécanismes conduisant à la dilatation du sillage de la structure jet-sillage. Pour l'écoulement en amont du diffuseur, ceci ce traduit en moyenne temporelle par une augmentation de l'incidence principalement au voisinage du moyeu. L'onde de choc en amont des aubes du diffuseur remonte à mesure que le débit du compresseur diminue. La trajectoire de l'écoulement principal bascule du côté de la face en dépression vers le côté de la face en pression du canal inter-aubes du diffuseur. La cartographie des nombreux décollements de couches limites est également modifiée à l'approche du pompage. Les structures instationnaires majeures sont produites par l'interaction de l'onde de choc en amont des aubes du diffuseur avec les pales du rouet. Des ondes de pression progressives et des poches à faible nombre de Mach sont ainsi générées. Les ondes pression impriment d'intenses fluctuations au champ de vitesse qui favorisent le processus de mélange. En conséquence, les couches limites sont plus robustes vis-à-vis des décollements (en moyenne temporelle). Le défilement instationnaire des poches à faible nombre de Mach engendre une dissymétrie marquée des conditions d'alimentation du diffuseur dans la direction azimutale. Au cours du changement de point de fonctionnement en allant du débit bloqué vers le pompage, les ondes de pression se renforcent et la taille des poches à faible nombre de Mach diminue. De ce fait, les conditions sont plutôt favorables à retarder l'entrée en pompage du compresseur qui est localement initié en amont du diffuseur aubé. Le pompage du compresseur est provoqué par un changement rapide de la structure supersonique de l'écoulement en entrée de diffuseur qui est alors déstabilisée par les fluctuations de pression des ondes progressives. / The present work is in line with a collaboration between the Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique at École Centrale de Lyon (LMFA-ECL), Turbomeca and ONERA. The subject is focused on impeller-diffuser interaction and phenomena occurring during surge ignition of a transonic centrifugal stage with high-compression ratio at cruise rotation speed (0,927Nn). The analysed data come from three measurement devices and two kinds of numerical simulations. The 1MW LMFA-ECL test rig was used for carrying out the experiments on the centrifugal compressor stage. The global performances were obtained by pressure, temperature, mass flow rate and rotation speed measurements. The internal flow field properties were probed by Laser Doppler Anemometry (LDA) and high frequency pressure measurements. The computations were performed with the elsA software developed at ONERA. The code solves the compressible Reynolds Averaged Navier-Stokes equations associated with the two-equations (k-l) turbulence model of Smith. Two models of impeller-diffuser interaction were used to simulate the flow within the compressor. The first model is based on the Averaged Passage equations, gives a stationary description of the internal flow fields. The second model is based on the phase lagged approach and allows access to the unsteady phenomena. A good agreement between experiments and simulations was obtained, which justifies the use of the CFD results for the flow field analysis. Analysis of the flow development within the impeller were carried out for three operating points (choke, peak efficiency and close to surge). This study shows that, from choke to near surge, the development of the tip clearance vortex is the starting point of a sequence of physical mechanisms which lead to an extend of the wake of the jet-wake structure. The change in flow field at impeller exit tends to increase the upstream incidence of the vaned diffuser, especially close to the hub. The vane bow shock wave progresses in the impeller passages when the operating point moves from choke to near surge. The location of the main flow moves from suction side to pressure side of the vaned diffuser passage. The topology of the boundary layer separations within the diffuser passage is deeply affected when approaching surge. The main unsteady structures are generated by the interaction between the bow shock wave and the impeller blades. Progressive pressure waves and low Mach number flow bubbles are generated by this locally time-spaced interaction phenomenon. The pressure waves lead to strong fluctuations of the velocity field. As a consequence, the boundary layer becomes more resistant in relation to the separations (in term of time-averaged point of view). In time-averaged point of view, the low Mach number flow bubbles lead to inhomogeneous conditions at the vaned diffuser inlet along the azimuthal direction . From choke to near surge operating point, the strength of the pressure wave increases whereas the size of the low Mach number flow bubbles decreases. These conditions are quite favourable to push back the surge limit which is locally initiated in the inlet part of the vaned diffuser. The surge of the compressor is produced by a rapid change in supersonic flow structure at diffuser inlet. The pressure fluctuations due to the progressive waves lead to destabilise the new supersonic flow configuration and degenerate in the global instability of the compressor flow.

Ces travaux concernent l'étude expérimentale e analytique de la turbulence en phase de développement dans les fluides hétérogènes à densité et à viscosité variable. Ils font appel à des outils de diagnostics expérimentaux (anémométrie à fil chaud, technique de diffusion Rayleigh, Vélocimétrie Doppler Laser), et au formalisme des équations de Navier-Stockes à viscosité variable. L'innovation porte sur l'indépendance de la mesure de la vitesse. Après sa validation, la plate-forme expérimentale est exploitée pour l'étude comparative d'un jet de propane émergeant dans un milieu air-néon, à viscosité et densité variable, avec un jet d'air classique, à même quantité de mouvement injectée initialement. Ce travail se poursuit ensuite par un approfondissement des propriétés dans le champ proche, complétés par une approche analytique à partir des réécritures des équations de Navier-Stokes à viscosité variable. / This work is devoted to the study of the undeveloped turbulence in heterogeneus gaseus mixtures, using experimental tools (Hot-wire Anemometry, Rayleigh Light Scattering, Laser Doppler Velocimetry) and analytical methods (variable-viscosity Navier Stokes equations). A new technique combining HWA and RLS is first adapted to reliabily measure the fluctuating velocity and concentration fields in variable-viscosity flows (herein, a propane-air mixture). A variable-viscosity round jet (propane emerging into an air-neon mixture) is characterized and compared with a turbulent air jet discharging into still air, at the same initial jet momentum. An analytical work is further performed with a particular focus on the jet axis, based on the Navier-Stokes equations including variable viscosity to support the experiments. It is shown that the kinetic energy dissipation rate is enhanced by several additional terms, particularly involving 'viscosity-velocity' correlations.

Cette étude s'inscrit dans le cadre de la compréhension des phénomènes ayant lieu dans les chambres de combustion aéronautiques. Ces phénomènes étant multiples et complexes, des simplifications sont nécessaires. L'étude se focalise uniquement sur l'évaporation de gouttelettes bi-composant en écoulements turbulents. De nombreux modèles d'évaporation existent mais l'influence de la turbulence dans le cas d'un spray est encore mal comprise. Alors que la turbulence augmente l'évaporation d'une goutte isolée, elle peut amener à la création d'amas de gouttes qui vont au contraire ralentir l'évaporation. Cette étude a donc pour but de fournir un certain nombre de données quantitatives permettant une meilleure compréhension de ces phénomènes et une amélioration des modèles. L'approche est expérimentale. L'objectif est de quantifier, d'une part l'évaporation et la dispersion de gouttelettes, d'autre part le mélange vapeur dans un écoulement de canal dont les caractéristiques seront connues. Afin de simplifier les conditions expérimentales, la température est moins élevée que dans le cas réel et la pression est la pression atmosphérique. De plus, les gouttelettes sont bi-composant (octane/3-pentanone). Le banc utilisé est divisé en deux parties. Sa partie supérieure est composée d'un système de génération de l'écoulement turbulent et d'un injecteur de gouttelettes. Sa partie inférieure est composée d'une veine dans laquelle l'écoulement diphasique est analysé. L'écoulement porteur est étudié sans le spray par Anémométrie Laser Doppler. L'écoulement présente une forte turbulence, des profils plats de vitesses moyennes et de f uctuations de vitesses, en zone établie. Les propriétés d'isotropie et la décroissance de la turbulence sont proches de celles obtenues en turbulence de grille. La phase dispersée est suivie à chaud à l'aide de deux méthodes : par Anémométrie Phase Doppler et par Fluorescence Laser Induite. L'Anémométrie Phase Doppler permet d'avoir accès simultanément au diamètre et à la vitesse de chaque goutte passant à travers le volume de mesure. En raison de la forte polydispersion, les comportements des gouttelettes vis à vis de la turbulence sont très différents. En revanche, l'homogénéisation est rapide quelque soit la classe de taille. La présence d'amas dont la quantité diminue en aval dans la veine est mis en avant. La Fluorescence Laser Induite mesure la quantité de molécules de 3-pentanone en phase liquide. L'évolution de la concentration liquide, des flux de masse et des amas est décrite. La Fluorescence Induite par Laser permet aussi de suivre la quantité de 3-pentanone en phase vapeur. L'évolution des prof ls radiaux et axiaux de concentration moyenne et des f uctuations de concentration est présentée. L'homogénéisation du mélange est quantifiée. / This work aims to understand the phenomena that occur in a combustion chamber. Due to the complexity of the phenomena encountered, simplifications are made. This study only focuses on multicomponent droplet evaporation in turbulent flows. Many evaporation models exist, but the influence of turbulence on a spray is yet not well understood. On one hand, turbulence increases the droplet evaporation rate. On the other hand, it may generate clusters, in which saturation stops the process. This study aims to give a database that can be used to improve the physical understanding of the process and to improve model performances. This is an experimental approach. The objective is to measure evaporation and dispersion of droplets and vapour mixing in a well-known turbulent flow. In the simplified test case studied here, the temperature is lower than in a real case and the pressure is atmospheric. The droplets are bi-component(octane/3-pentanone). The experimental set-up is divided into two parts. The first part, at the top, consists in a turbulence flow generator and a droplet injection device. The second part is a channel in which the two- hase flow is analysed. The carrier flow is measured using Laser Doppler Anemometry. The main flow properties are : high turbulence levels, flat profiles for the mean velocity and velocity fluctuations. The turbulence decreases and isotropic properties are close to those of grid turbulence. The dispersed phase is measured using Phase Doppler Anemometry (PDA) and Laser Induced Fluorescence (LIF). The velocity and diameter of each droplet passing through the measurement volume is measured by the PDA technique. There is a large variety of droplet behaviours due to the large polydispersion and turbulence. Droplet clusters are measured. Their amounts decrease with the distance from the injector. The concentration of 3-pentanone can be measured with the LIF technique. The evolution of the liquid concentration, mass flux and droplet clusters is described. The mean vapour concentration and its fluctuations are measured along the axial and radial axis. The mixing of the vapour is characterised