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1 Toulouse - ONERA - The French Aerospace Lab

Abstract : This thesis is dedicated to the experimental characterisation and the numerical simulations of a round impinging jet configuration seldom dealt with in the literature : a heated jet issues from a pipe fully developed pipe at a high Reynolds number ReD = 60 000 and normally impinges a plate located three diameters downstream. The first part of this work is directed towards the generation of an experimental database by means of several measurement techniques in order to characterise both the dynamical and thermal flow features. The complementary techniques of laser Doppler velocimetry LDV and particle image velocimetry S-PIV allowed for the velocity and Reynolds tensor field characterisation. The mean and fluctuating temperature fields were measured through cold-wire thermometry. Finally, the plate heat transfer distribution was obtained through the inverse method of « rear face thermography » ThEFA. The gathered data not only provided a comprehensive database necessary to validate numerical simulations but also permitted to highlight the large-scale flow organisation, with the presence of large vortices shedding at the free jet preferred mode and closely approaching the plate in the vicinity of the secondary peak observed in the heat transfer distribution.The second part of this thesis focuses on the numerical simulations aiming at reproducing the experimental configuration. Two approaches were evaluated : the RANS approach in order to quantify the relevance of industrial turbulence models and the Large-Eddy Simulation, more expensive, but providing the 3D unsteady flow features. The RANS simulations showed that the models recognised as the most efficient for this kind of configuration are unable to correctly predict the heat transfer levels. They are, on the other hand, well reproduced by the LES. The generated data allowed for better understanding of the mechanisms leading to the secondary peak. This analysis highlighted the prominent role of the -hot spots-, where only some of them can be related to « separated » regions, while the majority are associated with streamwise elongated structures.

Résumé : Cette thèse porte sur la caractérisation expérimentale et la simulation numérique d’une configurationde jet rond en impact peu rencontrée dans la littérature : un jet chauffé issu d’une conduitepleinement développée à un haut nombre de Reynolds ReD = 60 000 impacte normalement uneparoi située à trois diamètres en aval. Le premier volet de ce travail est dédié à la génération d’unebase de donnée expérimentale à l’aide de plusieurs moyens de mesure, avec pour objectif de caractériser à la fois la dynamique et la thermique de l’écoulement. Les techniques complémentaires de vélocimétrie laser à franges LDV et vélocimétrie par image de particules S-PIV ont été mises à profit pour la caractérisation du champ de vitesse et du tenseur de Reynolds tandis que les champs de température moyenne et fluctuante ont été mesurés à l’aide d’un fil froid. Enfin, les échanges thermiques au niveau de la paroi ont été obtenus par la méthode inverse de thermographie en face arrière ThEFA. En plus de fournir une base de donnée très complète nécessaire à la validation des simulations numériques, ces mesures ont également permis de mettre en évidence l’organisation à grande échelle de l’écoulement, avec la présence de grandes structures tourbillonnaires dont la fréquence de passage correspond au mode colonne du jet libre et qui s’approchent de la paroi d’impact aux alentours du second maximum observé dans la distribution des échanges pariétaux.Le second volet concerne les simulations numériques visant à reproduire la configuration expérimentale. Deux approches ont été évaluées : l’approche RANS pour quantifier la pertinence des modèles utilisés par les industriels et l’approche LES, plus coûteuse, mais donnant accès aux propriétés instationnaires et tridimensionnelles de l’écoulement. Les simulations RANS ont montré que les modèles reconnus comme les plus performants pour ce type de configuration sont incapables de prévoir correctement le niveau des échanges pariétaux. Ils sont, en revanche, bien reproduits par la simulation LES. Les données obtenues ont été mises à profit pour mieux comprendre les mécanismes liés à l’apparition du second maximum. Cette analyse a mis en avant le rôle des « points chauds ». Seuls certains d’entre eux ont pu être reliés à la présence de régions « décollées » tandis que la majorité est associée à des structures allongées dans la direction de l’écoulement.

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Keywords : IMPINGING JET CONVECTIVE HEAT TRANSFER TURBULENCE VORTICAL STRUCTURES LARGE-EDDY SIMULATION SECONDARY PEAK

Mots-clés : JET IMPACTANT CONVECTION FORCEE STRUCTURES TOURBILLONNAIRES SIMULATION AUX GRANDES ECHELLES SECOND MAXIMUM





Autor: Pierre Grenson -

Fuente: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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