Étude de la transition laminaire-turbulente de couches limites dans les tuyères soniques de débitmétrie - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2023

Boundary Layer Transition in Flowmeter Nozzles

Étude de la transition laminaire-turbulente de couches limites dans les tuyères soniques de débitmétrie

Bruno Zebrowski
  • Function : Author
  • PersonId : 1256414
  • IdRef : 240592581

Abstract

Measurement of high-pressure gas flow presents major challenges for many industrial processes. In particular, the accurate measurement of volumes exchanged during the transport of gases, such as natural gas or hydrogen, is among the most important applications given the volumes involved at industrial scales. The reference flow meters for these measurements are convergent-divergent nozzles in critical regime, used as standard on calibration benches. The confidence in the flow measurement by standard nozzles is established on empirical measurements complemented by models based on our knowledge of the aerodynamics of these nozzles. Among other things, the development of a boundary layer is a factor that considerably influences the flow rate of a nozzle. When using nozzles in different operating regimes, the boundary layer can be in a laminar or turbulent state. While modelling of each of these regimes is now advanced, the transition from one regime to the other remains unexplored in nozzles and causes uncertainty as to which boundary layer model to use for given operating conditions.This study aims at understanding the transition mechanisms at play in nozzles in order to establish the fundamentals to identify and model the transition regimes. First, an experimental campaign is conducted to identify the role of the shape and the surface condition of the nozzles on the transition. We show that if in some cases the transition is induced by the surface roughness, it is not the case for nozzles whose surface condition follows the industrial standards. For the latter, the geometry and the noise naturally present in the flow play a determining role in the occurrence of transition. In a second step, we use the tools of linear stability of flows to show that the transition mechanism is associated with the non-modal growth of disturbances present in the flow. This transient growth is modulated by the centrifugal force due to the curvature of the nozzle wall, leading to unsteady streaks. Finally, a transition model is established based on the stability study and the experimental results.
La débitmétrie gazeuse haute pression présente des enjeux majeurs pour un grand nombre de procédés industriels. En particulier, la mesure de précision des volumes échangés lors du transport de gaz, tel que le gaz naturel ou l’hydrogène, est parmi les applications les plus importantes compte tenu des volumes en jeu aux échelles industrielles. Les débitmètres de références pour ces mesures sont des tuyères convergentes-divergentes en régime critique, utilisées comme étalon sur des bancs de calibration. La confiance dans la mesure du débit par des tuyères étalons est établie sur des mesures empiriques complémentées par des modèles qui reposent sur nos connaissances de l’aérodynamique de ces mêmes tuyères. Le développement d’une couche limite, entre autres, est un facteur qui influence considérablement le débit d’une tuyère. Lors de l’utilisation des tuyères dans différents régimes de fonctionnement, la couche limite peut se trouver dans un état laminaire ou turbulent. Si la modélisation de chacun de ces régimes dans les tuyères est aujourd’hui avancée, la transition d’un régime à l’autre reste inexplorée et cause une incertitude quant au choix du modèle de couche limite à utiliser pour des conditions de fonctionnement données.Cette étude vise à comprendre les mécanismes de transition en jeu dans les tuyères pour établir les fondamentaux permettant d’identifier et modéliser les régimes de transition. Dans un premier temps, une campagne expérimentale est conduite pour identifier le rôle de la forme et de l’état de surface des tuyères sur la transition. Nous montrons que si dans certains cas la transition est induite par la rugosité de surface, ce n’est pas le cas pour les tuyères dont l’état de surface suit les standards industriels. Pour ces dernières, la géométrie et le bruit naturellement présent dans l’écoulement jouent un rôle déterminant dans l’occurrence de la transition. Dans un second temps, nous utilisons les outils de la stabilité linéaire des écoulements pour montrer que le mécanisme de transition est associé à de la croissance non-modale de perturbations présentes dans l’écoulement. Cette croissance transitoire est modulée parla force centrifuge qui s’exerce due à la courbure de la paroi des tuyères, conduisant à des stries instationnaires.Finalement, un modèle de transition est établi en s’appuyant sur l’étude de stabilité et les résultats expérimentaux.
Fichier principal
Vignette du fichier
2023ESMA0002_zebrowski.pdf (68.6 Mo) Télécharger le fichier
Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-04104699 , version 1 (24-05-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04104699 , version 1

Cite

Bruno Zebrowski. Étude de la transition laminaire-turbulente de couches limites dans les tuyères soniques de débitmétrie. Autre. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2023. Français. ⟨NNT : 2023ESMA0002⟩. ⟨tel-04104699⟩
73 View
7 Download

Share

Gmail Facebook X LinkedIn More