Plan du travail

Après ce premier chapitre d'introduction décrivant le cadre de l'étude et l'état de l'art, le chapitre 2 décrit le dispositif expérimental utilisé et les améliorations qui lui ont été apportées pour mener à bien cette étude. Le circuit aérodynamique a subi des modications et vu la mise en place de systèmes de régulation an d'obtenir des conditions aux limites thermiques compatibles avec la mesure de faibles écarts de température imposés par le scalaire passif (notamment en ce qui concerne le gradient résiduel et le bruit thermique en proche paroi).

Du point de vue métrologique, on utilise l'anémométrie à l chaud / l froid, l'ensemble de la chaîne anémométrique étant réalisé au laboratoire. Des sondes à l de Wollaston (Pt-Rh) de 0.35µm de diamètre sont associées à un thermomètre et un anémomètre à tension constante dont l'architecture et les composants ont été opti- misés pour maximiser le rapport signal sur bruit. L'ensemble possède une fréquence de coupure élevée et une résolution spatiale importante, compatibles avec la détec- tion des petites échelles de l'écoulement. La description de ces diérents éléments est présentée au chapitre 3.

1.3 Plan du travail 27

Le quatrième chapitre présente une étude globale de l'écoulement basée sur des visualisations par caméra rapide pour diérents rapports de vitesse (r compris entre 3 et 12). Ces visualisations ont permis la caractérisation de diérents régimes d'écou- lement (sans impact, en interaction et avec impact) ainsi que la compréhension des diérentes structures présentes dans cette conguration extrême-ment tridimension- nelle.

Enn, le chapitre 5 présente une étude détaillée de l'écoulement grâce à des mesures locales par l chaud / l froid, dans le cas particulier de deux rapports de vitesses (r = 3.3 et 9.4). Cette étude locale a permis de dresser des cartographies statistiques dans des plans de coupe perpendiculaires aux trois axes et d'étudier les propriétés de mélange du scalaire. Par l'analyse du contenu spectral des signaux en diérents points caractéristiques, des particularités du comportement dynamique instationnaire du jet ont pu être mises en évidence.

Chapitre 2

Conditions expérimentales : la

soufflerie Transat

Sommaire

2.1 Pourquoi une souerie en boucle fermée . . . 29 2.2 Description de la souerie . . . 31 2.2.1 Le circuit principal . . . 32 2.2.2 Le circuit secondaire . . . 33 2.3 La veine d'étude . . . 34 2.4 Conditions aux limites requises pour l'étude . . . 37 2.4.1 Conditions thermo-aérauliques antérieures . . . 37 2.4.2 Caractéristiques cinématiques . . . 42 2.4.3 Caractéristiques thermiques . . . 45

2.1 Pourquoi une souerie en boucle fermée

C'est au début du vingtième siècle que Gustave Eiel et Ludwig Prandtl construisirent les premières soueries. Le premier donna son nom à un concept qui se caractérise schématiquement par un circuit ouvert aux deux extrémités et qui fonctionne par aspiration. La mise en mouvement de l'air se fait par une hélice implantée en aval de la veine d'expérience. A l'amont, un convergent aspire l'air du hall où est installée la souerie ; c'est ce dernier qui fait oce de retour pour l'air rejeté en aval par l'hélice.

Ludwig Prandtl développa quant à lui le concept de souerie à retour. Celui- ci se caractérise par un circuit intégralement fermé qui a l'avantage, à performance comparable, d'être moins énergivore. Aujourd'hui, il est d'usage, pour simplier l'identication des soueries , de les nommer en boucle ouverte pour celle conçue par Gustave Eiel et en boucle fermée pour celle se rapportant à Ludwig Prandtl. Le but générique de la souerie Transat est d'avoir la possibilité d'étudier des phénomènes thermiques associés à divers écoulement en interaction. En l'occurence, dans le présent travail de thèse, on étudie un écoulement en canal rectangulaire traversé par un jet marqué thermiquement et pouvant intéragir avec les parois du

30 Pourquoi une souerie en boucle fermée canal. Les moyens d'investigation métrologique associés à l'étude reposent à la fois sur la thermo-anémométrie à l chaud et la visualisation.

Le choix du type de la souerie Transat a été déterminé par un ensemble de contraintes scientiques et techniques qui sont évoquées ci-après.

Exigence cinématique

Dans la mesure où il s'agit d'écoulements à faible vitesse, raisonnablement in- compressibles, les deux solutions (boucle ouverte ou fermée) orent des performances équivalentes.

Contingence thermique

C'est l'un des éléments les plus déterminants. En boucle ouverte, l'air qui cir- cule dans la souerie se recycle dans le hall. De ce fait, celui-ci a un rôle de première importance sur le maintien des conditions en température. Au vu de la construc- tion du hall et de son manque d'isolation, il est apparu impossible d'empêcher les échanges de chaleur entre l'intérieur et l'extérieur, et donc illusoire d'espérer main- tenir des conditions aux limites stables de température, malgré une régulation. En revanche, en boucle fermée, dans la mesure où l'air qui circule n'est pas renouvelé, il devient plus aisé d'en maîtriser la température par l'application d'un calorifuge sur l'ensemble de la souerie.

Contraintes métrologiques

Le retour d'expérience sur la thermo-anémométrie met en évidence que pour éviter une dérive des capteurs par encrassement, le recours à de l'air propre s'avère nécessaire. Avec le concept en boucle fermée, cet impératif est aisément pris en compte. L'air qui circule dans le tunnel étant toujours le même, l'ecacité de l- tration est optimale et sans dérive de la perte de charge. Avec le concept de boucle ouverte, le renouvellement permanent de l'air du tunnel peut occasionner (suivant l'état de proprété du hall) une baisse continue de l'ecacité de la ltration et en- traîner une hausse permanente de la perte de charge des ltres ; ceci implique, pour garder les mêmes caractéristiques cinématiques dans la veine d'essais, d'ajuster de manière continue la vitesse de rotation des ventilateurs, ce qui peut être une tâche assez délicate. Par contre, au plan de la visualisation, une boucle ouverte ore l'avan- tage d'avoir un temps de retour du uide quasi-inni (vu le volume du hall), per- mettant l'obtention de contrastes de bien meilleure qualité et des temps de travail plus longs.

31 Aspect nancier

Le coût de construction est stricto sensu moins élevé dans le cas d'une souerie en boucle ouverte. En ce sens, le facteur économique est plus favorable au concept Eiel.

A l'évidence, les deux arguments en faveur du concept de Prandtl (stabilité ther- mique et contraintes métrologiques) sont prépondérants et ont donc conduit à réa- liser la souerie Transat en boucle fermée.