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Theses Year : 2010

Numerical Study of Temperature Eects in round and coaxial jets

Etude numérique des effets de température dans les jets simples et coaxiaux

(1)
1
Guillaume Daviller
  • Function : Author
  • PersonId : 894617

Abstract

This thesis investigates temperature eects on subsonic turbulent single-stream and dual-stream jets and their far-field acoustic signature. The full compressible Navier-Stokes equations are solved using Large-Eddy Simulation, and open Kirchho's surface integral method is used to extend the acoustic prediction to far-field location. In order to study sound source mechanisms of isothermal and heated jets, at the same Mach and Reynolds numbers, Lighthill's tensor source terms are decomposed in Fourier modes in the azimuthal direction. The main features in the modal structure of a heated jet are the entropy term contribution and the importance of the relative energy contained in higher order modes. We show that the entropy term and the linear density fluctuation term have a similar behaviour in the near-field, for both the spatial distribution of the energy and the frequency dependence. For the dual-stream jets, heating the primary jet leads to a vortex pairing between the inner and outer shear layers. Sound radiated in the downstream direction is shown to depend appreciably on this phenomenon. Finally, we proposed some model problems to test the performance and utility, in terms of the physical insight which is provided, of an energy corollary, based on Helmholtz decompositions of both linear momentum and velocity. We show it is possible to identify the dierent flow processes (source mechanisms) which lead to the transport of fluctuation energy, as well as the physical mechanisms by which that fluctuation energy is transported away from the source region as propagating sound energy.
Cette étude s'intéresse aux eets de température sur la turbulence et l'acoustique rayonnée de jets subsoniques, simples et coaxiaux. Les équations de Navier-Stokes sont résolues par une approche de type Simulations des Grandes Échelles et les prévisions acoustiques en champ lointain sont obtenues à l'aide d'une méthode intégrale de Kirchho. Les mécanismes source d'un jet isotherme et d'un jet chaud, à nombre de Mach et de Reynolds identiques, sont étudiés à l'aide d'une décomposition azimutale en série de Fourier des termes sources du tenseur de Lighthill. Les principales diérences observées sur la dynamique et l'acoustique d'un jet chaud sont liées à la contribution du terme d'entropie et l'émergence de modes d'ordre supérieur. On montre que le terme d'entropie et le terme linéaire traduisant les interactions entre l'écoulement moyen et les fluctuations de densité, ont une distribution spatiale similaire en terme d'énergie et de fréquence. Les simulations de jets coaxiaux concentriques ont révélés que le bruit rayonné pour de faibles angles est dominé par les appariements tourbillonnaires entre les couches de mélange primaire et secondaire, lorsque le jet central est chaué. Finalement, une méthode de décomposition d'un écoulement en partie hydrodynamique et acoustique est appliquée sur un modèle d'écoulement simplifié, représentatif de la structure spatio-temporelle d'un jet. On met en évidence que la contribution du terme source hydrodynamique est dominante et que la turbulence est responsable du transport vers le champ lointain des fluctuations acoustiques.
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Dates and versions

tel-00573368 , version 1 (03-03-2011)

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  • HAL Id : tel-00573368 , version 1

Cite

Guillaume Daviller. Etude numérique des effets de température dans les jets simples et coaxiaux. Sciences de l'ingénieur [physics]. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00573368⟩
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