Une étude expérimentale du développement de jets turbulents à masse volumique variable est menée. Les comportements axiaux et radiaux des propriétés statistiques moyennes et fluctuantes obtenues sur les champs de vitesse et de concentration sont analysés. Ces résultats apportent une meilleure compréhension des phénomènes de mélange et de l’effet de la variation de densité dans le but d’apporter des données complémentaires pour le développement des calculs numériques et accroître leurs précisions. Les cas étudiés dans cette thèse sont deux jets d’hélium marqués par de la vapeur d’acétone pour des nombres de Reynolds Re = 7000 et 11000 permettant d’explorer l’effet de fortes variations de masse volumique (S = 0,39 et 0,41, respectivement) par rapport à l’air ambiant. Le cas d’un jet d’air (Re = 16000) également porteur de vapeur d’acétone est utilisé comme cas de référence comparable au cas d’un contaminant passif avec S = 1,17. L’étude porte sur la région de proche sortie de jet, jusqu’à une distance de 40 fois le diamètre Dj de sortie du jet. La configuration adoptée est celle d’un jet de tube rond, libre, axisymétrique, vertical et ascendant dont le diamètre intérieur du tube est Dj = 3,5mm se développant dans l’air ambiant. La particularité de cette étude est la mise en œuvre d’un système de mesure par diagnostic optique qui permet un couplage spatial et temporel des mesures de vitesse et de concentration sur une région de l’écoulement de quelques cm2 et non sur un seul point. Pour ce faire, le couplage des mesures PIV, pour la mesure du champ de vitesse, et PLIF basée sur la fluorescence de la vapeur d’acétone, pour la mesure du champ de concentration, a été étudié, conçu et testé. Il nous a permis d’obtenir une base de données, encore trop rares aujourd’hui, sur l’évolution des flux turbulents croisés de vitesse et concentration. Ces données ont mis en évidence une évolution plus rapide du jet le plus léger. Cependant, les coefficients de corrélation semblent identiques lorsque l’on atteint la zone autosimilaire du jet. Une approche basée sur les probabilités de densité conjointes vitesse-concentration a permis de mettre en évidence des différences dans la région extérieure des jets, où l’intermittence de frontière donne son empreinte sur les propriétés du mélange. / An experimental study of the development of turbulent jets with variable density is presented. The axial and radial behaviours of the mean and fluctuating statistical properties obtained on the velocity and concentration fields are analysed. These results provide a better understanding of mixing phenomena and the effect of density variation in order to provide complementary data for the development of numerical calculations and to increase their precision. The cases studied in this thesis are two helium jets carrying acetone vapor for Reynolds numbers Re = 7000 and 11000 to explore the effect of large density variations (S = 0.39 and 0.41, respectively) relative to the ambient air. The case of an air jet (Re = 16000) also carrying acetone vapor is used as a reference case comparable to the case of a passive contaminant with S = 1.17. The study focuses on the region of near jet exit, up to a distance of 40 times the jet outlet diameter Dj. The adopted configuration is a round jet tube, free, axisymmetric, vertical and ascending whose internal diameter of the tube is Dj = 3.5 mm developing in the ambient air. The particularity of this study is the implementation of an optical diagnostic measurement system that allows a spatial and temporal coupling of speed and concentration measurements over a region of the flow of a few cm2. To do this, the coupling of the PIV measurements for the measurement of the velocity field and the PLIF based on the fluorescence of the acetone vapor for the measurement of the concentration field has been studied, designed and tested. It allowed us to obtain a database, still too rare today, on the evolution of the turbulent flow of speed and concentration. These data have shown a faster evolution of the lightest jet. However, the correlation coefficients appear to be identical when the self-similar zone of the jet is reached. An approach based on joint speed-concentration density probabilities has revealed differences in the outer region of the jets, where the intermittent boundary gives its imprint on the properties of the mixture.

La combustion sans flamme est un régime de combustion massivement dilué associant forte efficacité énergétique et très faibles émissions polluantes dans les fours industriels. La composition du combustible et la température des parois de la chambre de combustion sont deux paramètres très influents de ce régime. Dans de précédents travaux menés au CORIA, l’étude du régime de combustion sans flamme des mélanges méthane-hydrogène à 18% d’excès d’air a mené à des résultats originaux et prometteurs. D’autre part, la haute température des parois s’est avérée un élément primordial pour la stabilisation de la combustion sans flamme. Dans le cadre du projet CANOE en collaboration avec GDF SUEZ et l’ADEME, cette thèse a pour objectif, d’une part de compléter l’étude de l’extension de ce régime à des mélanges méthane-hydrogène pour des conditions opératoires plus proches des conditions classiques de fonctionnement de brûleurs (10% d’excès d’air), et d’autre part, d'étudier les problèmes de stabilité de la combustion sans flamme en environnement à basse température pour envisager son application à des configurations de type chaudière industrielle.Sur le four pilote à hautes températures de parois du CORIA, l’ajout de l’hydrogène dans le combustible a permis de garder le régime de combustion sans flamme pour toutes les proportions méthane - hydrogène avec très peu d’émissions polluantes. Une augmentation de l’excès d’air est toutefois nécessaire pour certaines conditions opératoires. Les expériences réalisées avec abaissement progressif de la température des parois ont permis d’étudier l’influence de celle-ci sur le développement de la combustion sans flamme, et d’atteindre les limites de stabilité de ce régime. Des résultats similaires sont obtenus sur une installation semi-industrielle de GDF SUEZ. L’ajout d’hydrogène rend la combustion sans flamme moins sensible à l’abaissement de la température de parois. Une étude analytique de jets turbulents confinés a été développée pour représenter l'interaction entre les jets de réactifs et leur environnement dans la chambre de combustion permettant d'atteindre le régime de combustion sans flamme par entraînement, dilution et préchauffage. Ce modèle nous a permis d’établir une étude systématique permettant de mettre en valeur l’effet de chaque paramètre sur le développement des jets dans l’enceinte, et ainsi servir de moyen de pré-dimensionnement de brûleur à combustion sans flamme. L'apport de chaleur nécessaire à la stabilisation à basse température a ainsi été estimé. Sur cette base, un brûleur adapté aux configurations à parois froides a été dimensionné et fabriqué. L’applicabilité de la combustion sans flamme avec ce brûleur dans une chambre de combustion à parois froides, spécialement conçue et fabriquée dans cet objectif au cours de cette thèse, a été étudiée. Un régime de combustion diluée à basses températures a pu être stabilisé, mais le fort taux d'imbrûlés produits en sortie reste à réduire. / Mild flameless combustion is a massively diluted combustion regime associating high energy efficiency and very low pollutant emissions from industrial furnaces. The fuel composition and walls temperature are two very influential parameters of this combustion regime. In previous works realized at CORIA, flameless combustion of methane - hydrogen mixtures at 18% of excess air has shown very promising results. In another hand, high walls temperature is an essential element for flameless combustion stabilization. Within the framework of the project CANOE in collaboration with GDF SUEZ and ADEME, the objective of this PhD thesis is to complete the study of flameless combustion for methane-hydrogen mixtures in operating conditions similar to classical operating conditions of burners (10% of excess air), and in another hand, to study the stability limits of this combustion regime in low temperature environment like in industrial boiler.Experiments realized on the CORIA high temperature pilot facility, have proved that hydrogen addition in the fuel keep flameless combustion regime stable for all methane - hydrogen proportions, with very ultra-low pollutant emissions. An increase of excess air is however necessary for some operating conditions.Experiments realized with wall temperature progressive decrease allowed to study the influence of this parameter on flameless combustion, and to reach its stability limits. Similar results are obtained on the semi-industrial facility of GDF SUEZ. With hydrogen addition, flameless combustion is less sensitive to wall temperature decrease. An analytical representation of confined turbulent jets has been then developed to represent interaction between the reactant jets and their environment in the combustion chamber allowing reaching fameless combustion regime by entrainment, dilution and preheating. The effect of each parameter on the development of the jets can be then studied, which can be used as convenient tool of flameless combustion burners design. The heat quantity necessary for the low wall temperature stabilization has been quantified. On this base, a burner adapted to the configurations with cold walls has been designed. The applicability of the flameless combustion with this burner has been studied in a combustion chamber with low wall temperature specially designed for this purpose during this thesis. A mild diluted combustion regime has been achieved, but the high levels of unburnt gases have to be reduced.

Cette étude expérimentale est une contribution à l'amélioration des connaissances de l'influence de la variation de la masse volumique sur l'évolution des champs dynamique et scalaire des jets de gaz turbulents verticaux axisymétriques se développant dans co-courant d'air.<br /> Les gaz étudiés sont l'hélium, le méthane, l'air et le dioxyde de carbone. Le rapport des densités est compris entre 7,2 (hélium / air) et 0,0667 (dioxyde de carbone / air). Le rapport des vitesses est maintenu constant (0,075). Les jets de gaz, issus d'un tube circulaire, débouchent dans un caisson de mélange.<br /><br /> La détermination complète, tant axiale que radiale, du champ dynamique (vitesses moyennes, variances, moment d'ordre 3 et 4...) a été faite grâce à l'anémométrie Doppler laser à deux composantes, ceci en apportant un soin tout particulier à l'optimisation du système d'ensemencement (génération de gouttelettes d'huile d'olive de 1,5 micromètre de diamètre). L'influence de la variation de densité est notable sur toutes les grandeurs mesurées. Les jets e gaz se mélangent plus vite avec le co-courant d'air que les jets de gaz lourds.<br /><br /> La connaissance du champ dynamique instantané nous a permis, à partir de programmes de calcul (TFR), d'obtenir des densités spectrales d'énergie pour chacune des positions axiales explorées. Nous avons pu estimer les échelles caractéristiques de la turbulence de nos jets turbulents axisymétriques à masse volumique variable (macro-échelle de longueur, échelle de Taylor et micro-échelle spatiale de Kolmogorov), ainsi que d'autres paramètres importants (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.<br /><br /> Enfin, la phase exploratoire d'un futur couplage ADL – Rayleigh a été mise en œuvre. Ainsi, l'exploration du champ scalaire a été réalisée par la technique de la diffusion de la lumière par effet Rayleigh induit par laser sur ces mêmes gaz.

Cette étude s'intéresse aux risques associés à la formation d'une ATmosphère EXplosive (ATEX) née d'une fuite d'hydrogène et de sa dispersion dans l'air ambiant. La fuite a été modélisée par un jet turbulent à densité variable libre, impactant sur une sphère de diamètre 20mm ou sur une plaque plane. Dans un premier temps, les champs de vitesses et de concentration ont été obtenus expérimentalement en proche sortie grâce à des mesures de Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) et de Fluorescence Induite par Plan Laser sur l'acétone (PLIF). La turbulence et le mélange ont été caractérisés pour le cas d'un jet libre ou en présence d'un obstacle. A partir de ces mesures, la structure générale de l'écoulement a été étudiée à partir des champs moyens et fluctuants par comparaison avec les données de la bibliographie. Puis, les données issues des fluctuations ont été analysées statistiquement par l'étude des fonctions de densité de probabilité du scalaire. Ces travaux se sont poursuivis avec la mise en relation des résultats expérimentaux avec ceux obtenues par des simulations numériques DNS (Direct Numerical Simulation) utilisant la méthode Boltzmann sur Réseau (LBM) d'un scalaire passif dans un jet d'air. Cette étude a permis de recueillir et d'analyser des données supplémentaires sur le mélange d'un jet à masse volumique variable libre ou impactant. Ces données sont directement applicables à la maitrise des risques liés aux fuites d'hydrogène. / This study examines the risks associated with the formation of an explosive atmosphere from a hydrogen leak and its dispersion into the air. We considered the leak as a turbulent jet with density variable, free and impinging a $20,mm$ diameter sphere or a flat plate. Firstly, velocity and scalar fields have been measured experimentally in the near field through Particle Image Velocimetry (PIV) and acetone Planar Laser Induced Fluorescence (LIF). Turbulence and mixing have been defined in the case of free jet and impinging jet. From this measurements, the flow structure has been presented from the mean and fluctuating flow measurements by comparison with literature data. Next, the fluctuation scalar fields are studied with the probability density function method. Finally, a comparison has been conducted between the experiments and direct numerical simulation (DNS) of turbulence based on the lattice Boltzmann method (LBM) for passive scalar in air jet. This study is gathering and analyzing data on the mixing of jet with density variable, free and impinging jet. Such data is directly useful to identify and control risks incurred due to hydrogen leak.

Les instabilités aéroélastiques de bandes d’acier constituent aujourd’hui l’un des problèmes majeurs dans les sections de refroidissement par jets impactants des lignes de recuit continues.En effet, le traitement thermique des nouveaux aciers nécessite de très fortes pentes de température impliquant constamment des augmentations de vitesse de soufflage susceptibles de mettre en jeu des instabilités aéroélastiques. Des flottements ainsi que des divergences de bande ont déjà été constatées et identifiées. Ces deux instabilités impliquent dans la plupart des cas des chocs entre la bande et les buses de soufflage ce qui engendre des défauts de surface sur la bande.Un banc d’essai a été conçu et fabriqué dans le but d’analyser ces instabilités et d’anticiper leur apparition. A partir d’observations, la dynamique structurelle de la bande a été simplifiée à un mode de rotation rigide. Le banc comporte une plaque oscillante en mouvement forcé.Celle-ci est impactée par un dispositif de plusieurs jets axisymétriques turbulents ayant une disposition identique à celle des tours industrielles. Les efforts aérodynamiques stationnaires et instationnaires agissant sur la plaque sont mesurés au moyen de capteurs de pression.L’impact de plusieurs jets en interaction crée de très importants gradients de pression sur la plaque il est donc nécessaire que la grille de prises de pression soit très fine pour que l’estimation des efforts aérodynamiques soit correcte. La plaque est donc instrumentée de 91capteurs de pression sur une surface de 18 cm². Elle peut également être translatée dans les ois directions de l’espace, ce qui permet d’obtenir la distribution des efforts instationnaires ainsi que des coefficients aéroélastiques sur une grande surface de plaque et à différentes distances d’impact.Les mesures de pression stationnaires ont permis d’établir les courbes d’évolution des efforts d’impact des jets sur la plaque en fonction de la distance jet-plaque ainsi que de la géométrie des buses. Les résultats ont permis de déterminer la stabilité statique de la plaque en mouvement de pompage. Les mesures de vitesses des jets libres ont été effectuées paranémométrie à fil chaud et ont permis de déterminer leurs propriétés statistiques.Les mesures de coefficients aéroélastiques sur la plaque en rotation ont été effectuées surune seule géométrie de soufflage, pour différentes vitesses réduites. Les résultats mettent en évidence l’importance des effets de bords sur la stabilité de plaque. Des méthodes de post traitements ont proposées afin d’extrapoler les résultats à différentes largeurs de bande. Ils sont confrontés aux travaux de Regardin et al. (réf. [1]) et mettent en évidence des désaccords avec le cas réel. Des suggestions sont apportées afin d’améliorer la représentativité du banc vis-à-vis des bandes industrielles. / Aeroelastic instabilities of steel strips impinged by arrays of cooling gas jets have becomeone of the main issues in cooling sections of continuous annealing lines. Indeed, the new steeltreatments require very high temperature variation rates which involve increases in jetvelocities that are likely to onset some aeroelastic instabilities. Strip flutter and divergencehave already been observed and identified. These two aeroelastic instabilities imply a strongrisk of contact with the blowing boxes, which can seriously blemish the strip.An experimental test rig was designed and built in order to analyze and predict of theseinstabilities. From observations, the strip’s structural dynamics was simulated by a rigidrotation mode. The rig included a forced oscillating plate which is impinged by an array ofaxisymmetric jets having the exact industrial geometry. The plate was instrumented withpressure sensors to measure the steady and unsteady surface pressures. The impingement ofinteracting jets creates very large pressure gradients on the plate and therefore a tight mesh ofpressure taps (91 over an 18cm² jet impingement surface) was necessary to allow a goodestimation of the aerodynamic loads The plate could also be moved in the three coordinatedirections as to obtain surface mappings of the unsteady jet forces and aeroelastic coefficientscan be obtained over a wide area and different jet-to-plate distances.The variation of the impinging aerodynamic forces was established as a function of the jetto-plate distance for different nozzle geometries. These results were used to determine the jetstatic stability in plunging motion. Velocity and turbulence measurements in free jets werecarried out using hot wire anemometry in order to determine their statistical properties.Aeroelastic coefficient measurements were carried out on the oscillating plate with onlyone nozzle geometry and different reduced velocities. Results show that the plate’s stability ismainly dependent on the boundary effects. Post processing methods are suggested in order toapply the results to larger plates. Results are compared to the data of Regardin et al. (réf. [1])and emphasize some discrepancies with respect to the real case. Finally some improvementsto the test-rig are suggested for it to be more representative of the industrial situation.

Les instabilités aéroélastiques de bandes d’acier constituent aujourd’hui l’un des problèmes majeurs dans les sections de refroidissement par jets impactants des lignes de recuit continues.En effet, le traitement thermique des nouveaux aciers nécessite de très fortes pentes de température impliquant constamment des augmentations de vitesse de soufflage susceptibles de mettre en jeu des instabilités aéroélastiques. Des flottements ainsi que des divergences de bande ont déjà été constatées et identifiées. Ces deux instabilités impliquent dans la plupart des cas des chocs entre la bande et les buses de soufflage ce qui engendre des défauts de surface sur la bande.Un banc d’essai a été conçu et fabriqué dans le but d’analyser ces instabilités et d’anticiper leur apparition. A partir d’observations, la dynamique structurelle de la bande a été simplifiée à un mode de rotation rigide. Le banc comporte une plaque oscillante en mouvement forcé.Celle-ci est impactée par un dispositif de plusieurs jets axisymétriques turbulents ayant une disposition identique à celle des tours industrielles. Les efforts aérodynamiques stationnaires et instationnaires agissant sur la plaque sont mesurés au moyen de capteurs de pression.L’impact de plusieurs jets en interaction crée de très importants gradients de pression sur la plaque il est donc nécessaire que la grille de prises de pression soit très fine pour que l’estimation des efforts aérodynamiques soit correcte. La plaque est donc instrumentée de 91capteurs de pression sur une surface de 18 cm². Elle peut également être translatée dans les ois directions de l’espace, ce qui permet d’obtenir la distribution des efforts instationnaires ainsi que des coefficients aéroélastiques sur une grande surface de plaque et à différentes distances d’impact.Les mesures de pression stationnaires ont permis d’établir les courbes d’évolution des efforts d’impact des jets sur la plaque en fonction de la distance jet-plaque ainsi que de la géométrie des buses. Les résultats ont permis de déterminer la stabilité statique de la plaque en mouvement de pompage. Les mesures de vitesses des jets libres ont été effectuées paranémométrie à fil chaud et ont permis de déterminer leurs propriétés statistiques.Les mesures de coefficients aéroélastiques sur la plaque en rotation ont été effectuées surune seule géométrie de soufflage, pour différentes vitesses réduites. Les résultats mettent en évidence l’importance des effets de bords sur la stabilité de plaque. Des méthodes de post traitements ont proposées afin d’extrapoler les résultats à différentes largeurs de bande. Ils sont confrontés aux travaux de Regardin et al. (réf. [1]) et mettent en évidence des désaccords avec le cas réel. Des suggestions sont apportées afin d’améliorer la représentativité du banc vis-à-vis des bandes industrielles. / Aeroelastic instabilities of steel strips impinged by arrays of cooling gas jets have becomeone of the main issues in cooling sections of continuous annealing lines. Indeed, the new steeltreatments require very high temperature variation rates which involve increases in jetvelocities that are likely to onset some aeroelastic instabilities. Strip flutter and divergencehave already been observed and identified. These two aeroelastic instabilities imply a strongrisk of contact with the blowing boxes, which can seriously blemish the strip.An experimental test rig was designed and built in order to analyze and predict of theseinstabilities. From observations, the strip’s structural dynamics was simulated by a rigidrotation mode. The rig included a forced oscillating plate which is impinged by an array ofaxisymmetric jets having the exact industrial geometry. The plate was instrumented withpressure sensors to measure the steady and unsteady surface pressures. The impingement ofinteracting jets creates very large pressure gradients on the plate and therefore a tight mesh ofpressure taps (91 over an 18cm² jet impingement surface) was necessary to allow a goodestimation of the aerodynamic loads The plate could also be moved in the three coordinatedirections as to obtain surface mappings of the unsteady jet forces and aeroelastic coefficientscan be obtained over a wide area and different jet-to-plate distances.The variation of the impinging aerodynamic forces was established as a function of the jetto-plate distance for different nozzle geometries. These results were used to determine the jetstatic stability in plunging motion. Velocity and turbulence measurements in free jets werecarried out using hot wire anemometry in order to determine their statistical properties.Aeroelastic coefficient measurements were carried out on the oscillating plate with onlyone nozzle geometry and different reduced velocities. Results show that the plate’s stability ismainly dependent on the boundary effects. Post processing methods are suggested in order toapply the results to larger plates. Results are compared to the data of Regardin et al. (réf. [1])and emphasize some discrepancies with respect to the real case. Finally some improvementsto the test-rig are suggested for it to be more representative of the industrial situation.