Les écoulements de jet annulaire sont des écoulements majoritairement utilisés dans le domaine industriel (écoulement de « bluff body », procédés de fabrication de fibre de verre. ..) mais représentent paradoxalement une infime partie des études fondamentales des jets. Pour cette raison, nous nous sommes intéressés à la caractérisation expérimentale d'un jet annulaire d'air de rapport de diamètres r égal à 0,91 (Do=53,88 mm et Di=48,75 mm) pour trois nombres." de Reynolds compris entre 12240 et 45900. Les vitesses ont été mesurées jusqu'à 10 diamètres Do à l'aide de l'Anémométrie Doppler Laser (A.D.L.), de la Vélocimétrie par Images de Particules (P.I. V.) et du fil chaud. L'écoulement de jet annulaire possède successivement les caractéristiques d'un écoulement de sillage et d'un écoulement de jet axisymétrique. <br />Les instabilités se développant dans les couches de mélange externe et interne de la zone de recirculation ont été résolues spatialement et temporellement. L'utilisation conjointe de mesures P.I.V. décorrélées en temps de la zone de recirculation, de la P.O.D. et d'une mesure temporelle locale par A.D.L. a permis d'établir un scénario de l'évolution temporelle du sillage. <br />La zone de jet pleinement développé a également été étudiée à partir de mesures d'A.D.L. et de fil chaud. Les évolutions des grandeurs intégrales (quantité de mouvement, débit, vitesses, demi largeur du jet, nombre de Reynolds turbulent), des différentes échelles (échelles de Kolmogorov, de Taylor et intégrale) et du taux de dissipation moyen ont été mesurées sur l'axe du jet. Une comparaison des variations de ces différentes grandeurs a permis d'inclure le jet rond comme un cas asymptotique des jets annulaires.

Ce travail expérimental concerne la diffusion de la chaleur en aval d'une source ponctuelle placée au culot d'un corps d'Ahmed. Trois géométries particulières ont été étudiées avec des angles d'inclinaison de la lunette arrière a=05°, 25° et 40°. Ces études ont été menées dans l'air et dans l'eau à différents nombres de Reynolds. L'anémométrie Doppler Laser (ADL) et à fil chaud et la thermométrie à fil froid ont été utilisées pour mesurer les champs de vitesse et de température dans une zone correspondant au proche sillage ( ).<br />Les caractéristiques des champs de vitesse mesurées pour les trois angles d'inclinaison a ont montré que le champ dynamique dans le sillage proche dépend très fortement de cet angle lorsque le nombre de Reynolds augmente. Ces mesures ont mis en évidence pour a=25° l'existence d'une transition 2D-3D à un nombre de Reynolds ReLc=2,7.104. L'étude des champs thermiques a mis en évidence une complexité importante liée à la fois au caractère complexe du champ dynamique et à l'injection décentrée. Nous avons décrit les différents scénarios de transport et de mélange du scalaire en fonction de l'angle a de la lunette arrière. Le problème du mélange a été abordé en étudiant successivement les variations de l'écart de la température moyenne maximale, de l'intensité maximale des fluctuations de température et du taux de dissipation de ces fluctuations. Les résultats obtenus dans cette étude ont permis de déterminer le temps de mélange et d'estimer les ordres de grandeur des concentrations de polluants émises reçues par des récepteurs particuliers (piéton au bord d'une route lors du passage d'un véhicule automobile ou automobiliste dans le sillage d'une voiture).

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.

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.