Computational Fluid Dynamics is used to analyze the formation of under-expanded jets and to investigate the three-dimensional flow field associated with the impingement of free jets onto stationary deflectors. This investigation was performed to develop a verified modeling ability for such problems. Predictions were compared with the experimental results obtained by Donaldson and Snedeker [1]. Computational models for free and impinging jets were created according to the data provided in Ref. 1. Numerical results for each of the experiments performed in this benchmark report are presented. Three different turbulent free jets produced by a simple convergent nozzle were analyzed. These include a subsonic jet with p₁/pâ =1 and M₁=0.57, a moderately under-expanded jet with p₁/pâ =1.42 and M₁=1, and a highly under-expanded jet with p₁/pâ =3.57 and M₁=1. The reflecting shocks associated with the moderately under-expanded jet as well as the shock disk associated with the highly under-expanded jet were fully resolved. Velocity profile data predicted at locations downstream of the nozzle exit agreed very well with the experimental results. The impingement of a moderately under-expanded jet with p₁/pâ =1.42 and M₁=1 was also investigated. The interaction of the high speed jet with circular flat plates at angles of 60° and 45° relative to the center axis of the jet are presented. Wall jet velocity profiles on the surface of the flat plate are fully resolved and compare well with experimental results. The CFD solver controls and method used to obtain these results are summarized and justified. / Master of Science

L’objectif de ces travaux est d’étudier expérimentalement la dispersion d’hydrogène pour évaluer l’impact des fuites chroniques ou accidentelles qui peuvent intervenir en milieu libre ou encombré, à faible ou à forte pression, sur un véhicule fonctionnant avec une pile à combustible. 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’hydrogène 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 sousdétendus, et subsoniques en présence d’un obstacle (sphère). À partir de l’analyse de la structure compressible des jets sous-détendus, de nouvelles lois sont aussi proposées pour estimer la position et le diamètre du disque de Mach puis la longueur du cône potentiel. Enfin, deux lois d’estimation du volume et de la masse inflammables de jets libres d’hydrogène sont proposées : elles sont fonction du débit massique de la fuite. / 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 : hydrogen 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 millimeter jets and to the presence of an obstacle. Particular attention has been given to the development of this technique. The results show good agrement with the available litterature data.New similarity laws are proposed, more representative of the flows of : subsonic free jets, under-expanded free jets, and subsonic impinging (a sphere) jets. From the structure analysis of compressible under-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.

Cette thèse est une contribution expérimentale à l’étude des résonances aéroacoustiques des jets sous-détendus : le Screech. Diverses méthodes expérimentales sont utilisées à ces fins, telles que la mesure de pression acoustique, la strioscopie et Vélocimétrie par Image des Particules, et associées à des techniques classiques de post-traitement comme les décompositions en mode de Fourier et aux valeurs propres. Ces Techniques permettent d’évaluer les effets d’épaisseur de la lèvre de la buse sur l’écoulement, et fournissent des informations sur les différences de comportement d’un même jet montrant des modes oscillatoires différents. Enfin, on entreprend d’étudier la présence de divers mécanismes de fermeture de la boucle de résonance pour divers modes de screech. La présence d’ondes intrinsèques du jet, se propageant vers l’aval pour les modes axisymétrique (A2) et hélicoïdal (C) suggèrent que ces ondes puissent jouer un rôle dans la résonance. La signature de ces ondes n’est en revanche pas attestée pour les modes battants (B). Ces résultats semblent donc indiquer que plusieurs mécanismes de rétroaction différents puissent être à l’oeuvre dans la résonance du jet sous-détendus. / This work provides an experimental contribution to the study of the Screech phenomenon. Various experimental techniques such as microphones array, Schlieren and Particle Image Velocimetry (PIV) together with advanced post-processing techniques like azimuthal Fourier decomposition and Proper Orthogonal Decomposition (POD) are employed. These techniques enable the evaluation of the lip thickness effects on the jets generated by two different round nozzles. The differences on the flow aerodynamics and acoustics are discussed. Then, we carry out experiments to analyse the effects of the different dominant Screech modes (B and C) on the flow characteristics. No noticeable differences are found in the mean fields. However, the fluctuation fields shows the contrary: B mode has larger fluctuation. In the last part, we investigate the Screech closure mechanism. The signature of upstream jet waves is revealed in the axisymmetric (A2) and helical (C) mode. However, the mode B does not present evidence of this instability in the flow, indicating that its closure mechanism may be bonded to another kind of waves. The conclusion from the results is that the Screech phenomenon seems be driven by different closure mechanisms.

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