Métrologie et modélisation de la turbulence thermique Métrologie, bases de données, modélisation
métrologie
Les travaux sur la métrologie porteront sur les thèmes suivants
La finalisation des travaux menés dans le cadre du précédent prf pour traiter les signaux issus d'un vélocimètre laser : on dispose de deux outils complémentaires qu'il s'agit de finir et de fusionner. Le premier logiciel, basé sur ASSA (Analyse Spectrale de Signaux Aléatoires) et développé par le DMAE, permet de tester visuellement tous les post-traitements possibles afin de définir la meilleure méthode de correction et de traitement du signal ainsi que les paramètres correspondants. Le deuxième logiciel, développé par le Département Aérodynamique Fondamentale et Appliquée (DAFE), utilise les mêmes algorithmes afin de traiter en bloc tous les fichiers issus d'une campagne de mesures par la méthode précédemment définie. Le travail est donc d'associer ces deux logiciels pour permettre un post-traitement systématique des données
Le développement de thermocouples suspendu en couche mince pour permettre des mesures de température au sein du fluide. Il s'agit tout d'abord de tester la possibilité de réaliser de tels thermocouples qui devraient offrir de meilleures performances avant de les utiliser, si l'étude est concluante, pour des mesures couplées de vitesse et température.
La mesure de la température et le couplage de cette mesure avec une mesure de vitesse pour accéder aux flux de chaleur turbulents. Plusieurs méthodes de mesures, classiques ou originales, seront développées et comparées :
La première technique est l'application de l'imagerie de fluorescence sur un traceur moléculaire ensemencé dans l'écoulement (acétone en phase vapeur). Cette technique permet d'obtenir instantanément le champ spatial de température et le champ de concentration du traceur moléculaire sondé (typiquement une région de 50 mm x 50 mm dans l'écoulement). La cadence d'acquisition des mesures, limitée par les caméras ICCD utilisées est de quelques images par seconde et permet d'obtenir une corrélation spatiale des paramètres mesurés. Pour obtenir les flux de chaleur turbulents (corrélations vitesse-température), la technique d'imagerie de fluorescence et la technique de PIV seront couplées.
La seconde technique optique a été développée dans le but de suivre temporellement les fluctuations de température et de concentration en une position locale de l'écoulement. L'utilisation d'un laser pulsé pouvant fonctionner à des fréquences de 50 kHz permet d'atteindre ce but. De plus, la cadence d'acquisition permet d'accéder à la densité spectrale d'énergie des grandeurs mesurées. Le principe de cette étude consiste à associer la technique optique fluorescence / Rayleigh fonctionnant à haute cadence avec la technique LDV pour obtenir les flux de chaleur turbulents.
Pour servir de base de comparaison aux deux premières techniques qui sont originales, une technique plus classique sera aussi développée. Elle repose sur le couplage de mesures de température par fil froid et thermocouple suspendu en couches minces (développé dans le cadre du prf) avec une mesure de la vitesse par LDV.
L'ensemencement : il s'agit, dans le cas des mesures optiques de vitesse et de température pour un mélange (un jet dans le cas de ce projet), d'étudier les problèmes d'ensemencement en acétone et en particules des deux écoulements.
bases de données
L'activité expérimentale du projet M2T2 devrait se concentrer autour de deux montages expérimentaux, avec des objectifs bien différents.
Le premier montage servira de base de comparaison des différentes techniques de mesures développées au cours de ce prf. Il s'agit du montage de jet chaud développé dans le cadre du prf précédent. Ce montage permettra d'étudier un écoulement libre avec de forts niveaux de température.
En revanche, il n'a pas été possible de concevoir un écoulement pariétal simple présentant de forts niveaux de température. Le choix pour le second montage expérimental a donc été de fournir des données manquantes sur les couches limites en gradient de pression avec transfert de chaleur.
Ces deux montages permettront de réaliser des sondages détaillés d'écoulements "canoniques'' facilement calculables et qui serviront pour valider les modèles.
En fonction des développements réalisés, les thermocouples en couche mince pourront être utilisés dans les années trois et quatre pour sonder ces deux écoulements. Les performances exactes des thermocouples et leurs limitations n'étant pas connues actuellement, ces activités ne sont pas présentées dans ce document.
modélisation
Les travaux de modélisation se situent dans la continuation des travaux précédemment menés. L'objectif est d'avoir des modèles de turbulence de niveaux de représentation (et de complexité) différents, permettant de s'affranchir d'hypothèses sur le nombre de Prandtl turbulent.
Dans un premier temps, les travaux de développement de modèles thermiques algébriques entrepris dans le projet M2NT seront achevés. Ces modèles, utilisant deux ou quatre équations de transport pour définir les échelles du champ dynamique ou des champs dynamiques et thermiques, correspondent tant en terme de coût que de précision aux demandes actuelles des industriels.
Ensuite, l'effort portera sur la modélisation des équations de transport pour les flux de chaleur turbulents, d'une part parce que ces modèles permettent une description plus fine des flux de chaleur turbulents que les modèles algébriques dans les conditions de fort déséquilibre et d'autre part parce que ces modèles sont une pré-requis nécessaire pour le développement de nouveaux modèles algébriques.
Les études expérimentales menées dans le cadre de ce projet (M2T2) serviront à tester et valider les modèles.
