Mise en oeuvre de la Fluorescence Induite par Laser couplée à la Vélocimétrie Laser à effet Doppler. Application à l'étude et à la modélisation des propriétés diffusionnelles des écoulements turbulents
Résumé
This thesis presents the experimental study of the diffusion of passive scalar in turbulent flows using two combined optical and non-intrusive methods : the Laser-Induced Fluorescence and the Laser Doppler Velocimetry. This technique allows the simultaneous and instantaneous determination of velocity and concentration or temperature in the same probe volume, with spatial and temporal resolutions congruent with the characteristic scales of turbuence. The dependance of the fluorescence signal on the concentration and on the temperature has been modelled and the experimental conditions of use of this technique developed. This technique has been implemented first in a homgeneous and isotropic grid generated turbuelent flow. It has been shown that a constant turbulent diffusivity could be defined. Then we proposed the experimental study of thr turbulent transport in an axisymmetric jet. The experimental results yielded the validation of second order closure models for the transport equations of thr Reynolds stress and for the transport equation of the radial turbulent mass flux. It has been checked out that a constant turbulent Schmidt number could be defined in the centre of the flow. Finally, the extension of this technique to the simultaneous measurements of temperature and velocity has been pointed out that the values of turbuelent Prandtl number and the turbulent Schmidt number measured for the isothermal jet were of the same order magnitude in the fully developped region of the flow.
Cette thèse propose le développement et la mise en oeuvre d'une technique de mesure optique et non intrusive, fondée sur l'utilisation couplée de la Vélocimétrie Laser à effet Doppler et de la Fluorescence Induite par Laser. Cette technique permet en particulier d'effectuer des mesures simultanées de vitesse et de concentration, ou de température, avec une résolution temporelle et une résolution spatiale compatibles avec l'étude des champs turbulents. Une modélisation du signal de fluorescence en fonction de la concentration et de la température est proposée et les conditions d'utilisation de la technique sont développées. Cette technique a été appliquée à l'étude d'un écoulement de type turbulence de grille, supposé homogène et isotrope, et a permis de décrire les propriétés diffusionnelles par un modèle de diffusivité turbulente constante. L'utilisation de cette technique a en outre permis d'analyser les propriétés diffusionnelles d'un jet axisymétrique turbulent d'un contaminant passif massique. La validation des modèles de fermeture des équations de la turbulence au second ordre portant sur les termes de corrélations entre les fluctuations de pression et les fluctuations du scalaire est en particulier proposée. Les résultats expérimentaux ont permis d'établir un modèle de viscosité turbulente et un modèle de diffusivité turbulente variables et aboutissent à la définition d'un nombre de Schmidt turbulent constant dans la zone centrale de l'écoulement. Une extension de cette technique aux mesures simultanées de vitesse et de température est proposée, et nous présentons les résultats expérimentaux concernant l'étude des champs cinématiques et thermique d'un jet turbulent axisymétrique chaud. La mesure des corrélations vt entre les fluctuations de vitesse et les fluctuations de température a abouti au calcul d'une diffusion thermique turbulente Dt variable, ainsi qu'à la définition d'un nombre de Prandtl turbulent déterminé dans le cas du jet isotherme.