Études sur les jets à contre-courant

Counterflow jets have been the subject of many studies because they favor the development of turbulence in the flow without the use of mechanical stirrer. This can be explained by the mixing layer between the jet and the counterflow that is highly unstable because the velocity
gradient is strong in that area. Research on counterflow jets has permit to understand how non-dimensional parameters affect the jet length, the similarity of velocity profiles and the threshold for the flow stability. These results were validated for the case of a single jet at a high Reynolds number and few informations are available when an array of jets is against a counterflow, both under a low Reynolds number. A setup based on a novel burner to investigate unstretched planar diffusion flames is used to study the configuration of the jet array. The goal of this study is to investigate the following subjects: — The flow regime characterized by dimensionless parameters. — The difference between a single jet and a jet array against a counterflow.
— The vortex shedding specific frequency in a transient flow. According to the litterature, the length of a jet evolves linearly in function of the velocity ratio of the jet and its counterflow (Ujet/U). Further, the slope of this linear scale is usually found between 2.4 and 2.9. It was expected that we would get similar results in a jet array, however, experimental data show that the slope constant is bounded from 0.11 to 0.22 and that these values themselves are strongly dependent on the Reynolds number of the flow. Next, litterature results predict jet instabilities when the velocity ratio exceeds 1.4 for the
case of a single jet. In a laminar regime, at a very low Reynolds number, no instability was such detected for isolated jet or jets array. (Ujet − U)/(Ujet + U) > 1.32 is thus used as a criterion in order to detect the instability for a generalized shear layer and is applied in this study. The results were both inconsistent for a single or several jets. Therefore, the Reynolds number is used as reference and it seems that the lowest threshold for a single jet instability is Rejet � 35 and Re � 368. Finally, frequency analysis from the vortex shedding indicates periodic signals ranging from 3 to 29 Hz.

Résumé

Les jets à contre-courant ont fait l'objet de plusieurs études puisqu'ils ont la capacité de favoriser
le développement de la turbulence sans utilisation d'agitateurs mécaniques. Ce phénomène est possible puisque les couches de mélange entre le jet et l'écoulement à contre-courant ont un fort gradient de vitesse. Les résultats de recherches ont permis de comprendre par exemple l'évolution des dimensions des jets, la similitude des profils de vitesse et les limites d'instabilité en fonction de plusieurs paramètres adimensionels. Malgré ces nombreuses contributions
scientifiques, ces résultats ont été validés en détails seulement pour le cas d'un jet unique et à haut nombre de Reynolds et peu d'information est disponible quand il y a présence de plusieurs jets à contre-courant. Un banc d'essai inspiré d'un bruleur à flamme unidimensionnelle
a été utilisé pour étudier expérimentalement cette configuration : une matrice de jet à contre-courant. L'objet de cette recherche est d'investiguer les éléments suivants : — Les régimes stables et instables en fonction des paramètres adimensionels. — La différence entre un jet isolé et une matrice de jets à contre-courant.
— La fréquence caractéristique des structures tourbillonaires. D'après la littérature, la longueur des jets évolue de façon linéaire en fonction du ratio vitesse du jet sur celui de l'écoulement (Ujet/U). De plus, la pente de cette droite est environ 2.4 à
2.9. Toutefois, dans une matrice de jets à contre-courant, la constante des droites se trouve entre 0.11 à 0.22 et ces valeurs dépendent du nombre de Reynolds de l'écoulement. Ensuite, la littérature prédit des jets instables quand le rapport des vitesses dépasse une valeur de 1.4 pour le jet isolé. Toutefois, pour le régime laminaire à très faible nombre de Reynolds étudié
ici, que le jet soit isolé ou dans une matrice, les instabilités n'ont pas été détectées dans ces
conditions. Le critère (Ujet − U)/(Ujet + U) > 1.32 a alors été utilisé pour tenter de détecter
les instabilités introduites par les couches de mélange. Cependant, l'utilisation de ce critère dans la configuration de matrice de jets était inconsistente, ce qui a mené à utiliser un autre critère basé sur le nombre de Reynolds minimum qui varie entre Rejet � 35 et Re � 368. Finalement, une analyse fréquentielle des structures tourbillonaires générées par les jets a permis d'estimer une fréquence caractéristique entre 3 et 29 Hz dans les plages de ratio de vitesse étudiées.