Dynamique des grandes échelles dans les jets turbulents avec ou sans effets de rotation

Résumé Traduit : This thesis is a contribution to the study of turbulence in the near field of a jet exit, with or without swirl. We use an experimental setup which has been validated to generate a thin axisymmetric mixing layer developing into a jet, and where the amount of swirl can be precisely set. The flow is characterized using stereoscopic PIV measurements, including high-speed acquisitions which resolve the dynamics of the large scale turbulent structures. We have proposed and tested a method which allows the estimate the convection velocities of these structures and to determine the validity of Taylor's hypothesis using the experimental dataset. This study shows that in the jet near field, it is legitimate to perform a pseudo spatial reconstruction using temporal PIV data. In the jet core, without swirl, a POD confirms the predominance of m=0 and m=1 modes, in line with previous studies. A detailed statistical analysis brings to light that the motion of m=1 modes is closer to a flapping than to a helix. In the mixing layer, streamwise vortices are dominant. Radially oriented pairs are shown to be frequent by analyzing spatial correlation of streamwise vorticity. The relative organization of these vortices with m=0 and m=1 modes is quantitatively established using velocity and vorticity correlations. This leads us to propose an interaction scenario between m=0 and m=1 modes, streamwise vortices, and the mean flow. When swirl is added, the growth rate and turbulent kinetic energy level in the mixing layer do not vary in a monotonous manner. This is due to specific initial conditions obtained from the swirl generation mechanism, which counter the effects arising from the increased alignment between the Reynolds stress and the strain tensor. On this last point, we show that the orientation of the initially radial vortex pair changes with swirl, and this provides a dynamical interpretation of evolution of the Reynolds stress tensor.Cette thèse est une contribution à l'étude de la turbulence dans le champ proche de la sortie de jets, avec ou sans effets de rotation. Notre dispositif expérimental permet de générer un jet tournant qui se développe en formant une couche de mélange axisymétrique turbulente et dont le nombre de swirl peut être précisément fixé. L'écoulement est caractérisé par PIV stéréoscopique, avec un recours à des acquisitions à haute cadence de manière à résoudre la dynamique des grandes échelles de la turbulence. Nous avons proposé une méthode qui permet de déterminer la vitesse de convection des structures turbulentes et d'estimer la validité de l'approximation de Taylor. Cette étude démontre qu'il est ici légitime de décrire les structures spatiales de la turbulence à partir de mesures temporelle réalisées dans un plan transverse à l'écoulement. Dans le cœur du jet non tournant, une POD confirme la prédominance de modes m=0 et m=1 décrite dans de précédentes études. Le mode m=1 prend plus souvent la forme d'un battement que d'une hélice. Dans la couche de mélange, les tourbillons longitudinaux sont les structures dominantes. Une organisation sous forme de paires de signe opposé orientées radialement est mise en évidence par l'analyse des corrélations doubles de vorticité. L'étude des corrélations vorticité-vitesse donne la position préférentielle de ces tourbillons par rapport aux modes m=0 et m=1. Nous avons alors proposé un scénario d'interaction entre les modes m=0 et m=1, les tourbillons longitudinaux et le champ moyen. Lorsque le nombre de swirl augmente, le taux de croissance et l'énergie cinétique turbulente dans la couche de mélange du jet varient de manière non-monotone. Ceci est dû à des conditions initiales issues du mécanisme de mise en rotation, qui ont un effet contraire à celui de l'alignement du tenseur de Reynolds avec le tenseur des déformations. L'orientation des paires de tourbillons avec le swirl permet d'interpréter dynamiquement l'évolution du tenseur de Reynolds