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Theses Year : 2012

Contribution to the study of turbulent mixed convection

Contribution à l'étude de la convection mixte en régime turbulent

(1)
1
Matthieu Boirlaud
  • Function : Author
  • PersonId : 936363

Abstract

The understanding of a turbulent flow downstream of a horizontal circular cylinder submitted to a transverse air flow in the presence of significant buoyancy effects, is the main objective of the present Ph.D. Experimental and numerical approaches are used to supplement the knowledge of the turbulent mixed convection regime. Apart from the loss of symmetry of the wake induced by buoyancy effects, the flow studied here is characterized by the development of two main instabilities. In the lower shear-layer region one assists to the development of intermittent Kelvin-Helmholtz instabilities. We show that in presence of significant flottability effects the transition to turbulence is accelerated. At the rear of the cylinder the development of a secondary flow is initiated for the studied configuration because of buoyant forces. This secondary flow is highly three-dimensional and gives rise to dipole-like vorticity structures in the upper part of the wake. These structures are free to evolve in the wake or to pair with the turbulent wake vortices. Finally, in the presence of significant buoyancy effects, there is an increase of the turbulent activity in the wake of the cylinder which is characterized by a higher three-dimensional topology. Under these conditions temperature acts as an active scalar which is able to accelerate the transition to turbulence.
La compréhension des écoulements turbulents en aval d'un cylindre circulaire horizontal, soumis à un écoulement d'air transverse et en présence d'importants effets de flottabilité, constitue l'objectif principal de ce présent mémoire. Les approches expérimentale et numérique (DNS) sont utilisées afin de compléter les connaissances des mécanismes d'instabilité tourbillonnaire en régime de convection mixte. En dehors de la perte de symétrie du sillage induit par les effets de pesanteur, l'écoulement étudié ici est caractérisé par le développement de deux instabilités principales. Au niveau de la couche de cisaillement inférieure on assiste au développement d'instabilités intermittentes de Kelvin-Helmholtz. Nous montrons qu'en présence d'effets de gravité importants la transition vers la turbulence est accélérée dans cette région de l'écoulement. A l'arrière du cylindre un écoulement secondaire apparaît sous l'effet des forces de pesanteur. Cet écoulement est le lieu d'importants mouvements tridimensionnels tant sur le plan moyen que fluctuant et donne naissance à des dipôles de vorticité caractéristiques. Ces structures se forment dans la partie supérieure du sillage et évoluent librement au niveau de l'écoulement principal ou s'apparient avec les structures tourbillonnaires du sillage turbulent. Finalement, en présence d'effets de gravité non négligeables, on assiste à un enrichissement du spectre des structures turbulentes et à une augmentation des composantes tridimensionnelles du champ dynamique. Dans ces conditions la température agit comme un scalaire actif capable d'accélérer la transition vers la turbulence.
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Dates and versions

tel-00784210 , version 1 (30-04-2013)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00784210 , version 1

Cite

Matthieu Boirlaud. Contribution à l'étude de la convection mixte en régime turbulent. Autre. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2012. Français. ⟨NNT : 2012ESMA0019⟩. ⟨tel-00784210⟩
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