The next generation air breathing engine that would enable an alternative to conventional air travel or suborbital flight is the supersonic ramjet engine (SCRAM) which requires a highly accelerated rate of fuel mixing and combustion. For this type of engine, one of the improvement opportunities lies in the injection of the fuel into the supersonic flow inside the combustor. In order to determine the flow field that develops when a sonic jet of secondary gas is injected into a supersonic free stream, a dedicated test section was developed which was attached to the existing supersonic wind tunnel at the University of Central Florida. A Schlieren system was developed to visualize the associated flow fields and to provide a tool for future high-speed aerodynamic research. Mixing of a cross flow jet with a supersonic free stream is a topic of interest in the field of hypersonic air travel. In addition to a description and analysis of the resultant data, this thesis also serves as a reference for future research and work done with the UCF supersonic wind tunnel and the Schlieren system. The results agree with the literature, and the Schlieren images obtained show the associated shock and flow structures that are expected with a jet in cross flow.

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit propose une analyse expérimentale du dé-veloppement spatio-temporel d’une zone de mélange (air/hélium) initiée par instabilité deRichtmyer-Meshkov (IRM). Cette étude s’appuie sur la mise en oeuvre d’un tube à chocspositionné verticalement et sur le développement d’un nouveau protocole expérimental associéà un système innovant de génération de l’interface initiale entre les deux espèces gazeuses enprésence. Ce système est basé sur un dispositif d’obturation/ouverture composé d’un rideau rigiderétractable et d’une série volets mobiles. La caractérisation de l’interface initiale et de l’évolutionspatio-temporelle de la zone de mélange ainsi obtenue est effectuée en exploitant les résultats dedifférentes techniques de mesures telles que la visualisation strioscopique (Schlieren) résolue entemps, la tomoscopie plan laser (TPL) et la Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV). Enpremier lieu, différentes campagnes de mesures visant à caractériser l’interface initiale ont permisde quantifier la répétabilité du système et de démontrer ses capacités à générer une interfacepériodique faiblement diffuse. Dans un second temps, une étude du mélange gazeux obtenu pourun jeu de paramètres expérimentaux donné, est proposée. L’analyse s’intéresse en particulieraux mécanismes d’initiation et de transition a la turbulence de la zone de mélange produite parl’IRM. L’interaction entre cette zone de mélange en cours de développement et le choc réfléchisur l’extrémité supérieure du tube (phénomène de rechoc) est également étudiée dans l’optique deconfirmer la transition turbulente de la zone de mélange. / This work proposes an experimental analysis of the spatio-temporal development of an air/heliummixing zone promoted by the Richtmyer-Meshkov instability (RMI). This study relies on the useof a vertical shock tube and on the development of a new experimental protocol associated with aninnovative device for the generation of an initial interface between two gazeous species. This deviceconsists a rigid retractable curtain and of a series of rotating shutters. The characterization ofthis initial interface and the spatio-temporal evolution of the RMI-induced mixing zone is carriedout by exploiting the results of various experimental methods such as time resolved Schlierenvisualizations, planar laser mie scattering and Particle Image Velocimetry (PIV). In a first step,various measurement campaigns have made it possible to quantify the repeatability of the newdevice and to demonstrate its ability to generate a periodic, weakly diffused interface. In a secondstep, a study of the gaseous mixing for a given set of experimental parameters is proposed. Theanalysis focuses on the understanding of the underlying mechanisms driving the gaseous interfaceformation and the transition to turbulence of the RMI-induced mixing. The interaction betweenthis mixing zone and the reflected shock from the upper end of the tube (re-shock phenomenon)is also studied in order to confirm the turbulent transition of the mixing zone.

Ce travail s’intéresse à l’analyse expérimentale du développement de la zone de mélange turbulente (ZMT) produite par une instabilité de Richtmyer-Meshkov (IRM). Les expériences sont réalisées au sein d’un tube à chocs vertical, et l’analyse s’appuie sur des mesures simultanées mettant en œuvre des techniques expérimentales de type capteurs de pression pariétaux, visualisations strioscopiques résolues en temps et mesures de vitesse par Vélocimétrie Laser Doppler (LDV). Une caractérisation de l’installation expérimentale est tout d’abord effectuée en situation homogène (air pur, sans mélange), afin de déterminer la qualité de l’écoulement de base et connaître le niveau de turbulence de fond du tube à chocs. Les configurations de mélange, principalement entre de l’air et de l’hexafluorure de soufre (SF6), sont ensuite abordées. On s’intéresse dans un premier temps aux caractéristiques globales de la zone de mélange : en particulier à l’évolution de son épaisseur et à son taux de croissance. Plusieurs configurations de mélange sont étudiées en faisant varier différents paramètres expérimentaux tels que la hauteur de la veine d’essais du tube à chocs, la forme de la perturbation initiale de l’interface entre les deux gaz et le nombre d’Atwood, dans le but de déterminer leur influence sur le développement de la ZMT. On montre ainsi une sensibilité du taux de croissance post-rechoc à plusieurs de ces paramètres. Des comparaisons avec des simulations numériques réalisées par nos partenaires du Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) montrent des tendances similaires entre expériences et simulations sur ce point. L’étude est ensuite complétée par une caractérisation plus locale de la ZMT, en mesurant les niveaux de turbulence en différents points de la veine d’essais à l’aide de la LDV. Après avoir quantifié les contraintes de convergence statistique imposées par l’expérience pour ce type de mesures, on donne une estimation des intensités turbulentes produites par l’écoulement de mélange à différents stades de son développement. / This experimental study sheds some light on the development of the turbulent mixing zone (TMZ) arising from a Richtmyer-Meshkov instability (RMI). The experiments are conducted in a vertical shock tube, and the analysis relies on simultaneous measurements involving pressuretransducers, time-resolved Schlieren visualizations and Laser Doppler Velocimetry (LDV). In a first step, a thorough characterization of the experimental apparatus is conducted in order to qualify the basic flow configuration corresponding to homogeneous situations (pure air withoutmixing), and to evaluate the « background » turbulence level of the shock tube. Mixing configurations (mainly between air and sulfur hexafluoride, SF6) are then investigated. We first focus on a global description of the mixing zone such as the time evolution of its thickness and the corresponding growth rate. We consider several mixing configurations, varying the length of the test section, the shape of the initial interface between the two gases and the Atwood number. A clear influence of some of these parameters is shown on the the post-reshock increasing rate of the mixing zone, in good accordance with numerical results obtained from the Commissariat à l’Energie Atomique (CEA, french atomic energy commission). A more local description of the flow is then obtained in a second step by measuring the turbulence levels at different locations inside the test section thanks to the LDV technique. After quantifying the issues linked to the statistical convergence of the turbulent quantities in such specific configurations, we provide an estimation of the turbulent intensities produced by the mixing at various stages of its development.