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18.3 Mo

Thèse présentée à

Université de Rouen

Discipline : sciences pour l’ingénieur
Spécialité : mécanique des fluides & énergétique

Par

Guillaume BOUTIN

Soutenue le 13 juillet 2010

Mélange et micro-mélange dans un réacteur à multiples jets cisaillés
Jury

Directeurs
L. Danaila, Professeur, CORIA, Rouen
B. Renou, Professeur, CORIA, Rouen

Examinateurs
M. Amielh, Chargée de Recherche CNRS, IRPHE, Marseille
A. Mura, Chargé de Recherche CNRS, Pprime, Poitiers
C. Mounaim-Rousselle, Professeur, PRISME, Orléans

Rapporteurs
J. B. Flor, Directeur de Recherche CNRS, LEGI, Grenoble
C. Morin, Maître de conférence, IJLRA, Paris VI

Résumé
Ce travail vise la description fine du micro-mélange. Pour décrire cette quantité, les réactions chimiques se sont révélées être l’outil le plus ingénieux (Dimotakis, 2005). Pourtant, très peu d’études expérimentales y ont été consacrées. Dans cette étude, nous nous intéressons au cas d’un écoulement dont le motif de base est un jet cisaillé entouré de 4 jets à contre courant pour deux géométries distinctes : une à fort taux de confinement et une seconde pour laquelle le taux de confinement reste faible. Ces deux configurations sont étudiées en faisant varier le nombre de Reynolds des jets. La mesure de concentration est faite grâce à une méthode de Fluorescence Induite par Plan Laser, et la vitesse de l’écoulement est estimée par Vélocimétrie par Image de Particules.
La difficulté principale est la mesure du micro-mélange, quantifiée expérimentalement par une méthode de mesure dite "Dual Tracer", qui compare le signal de fluorescence d’une molécule traçant les zones de fluides pur à celui du fluide dans sa globalité. L’objectif est d’utiliser cette base de données afin d’étudier l’influence du nombre de Reynolds et du taux de confinement sur la qualité du mélange et l’efficacité du micro-mélange en terme de statistiques. Il est montré que l’efficacité du micro-mélange augmente lorsque le nombre de Reynolds augmente, et lorsque le taux de confinement diminue.

Mots clés
Turbulence, écoulement confiné, micro-mélange, PLIF NO, PLIF acétone, dual traceur, probabilité.

Abstract
The main aim of this work is to provide an accurate description of the micro-mixing in turbulent flows. Chemical reactions have been exploited to produce the most reliable molecular mixing measurements to date (Dimotakis, 2005). However, the studies already existing are mainly devoted to free shear flows. Here, we characterize mixing at the smallest scales in a turbulent flow in which the basic pattern is one jet, sheared by 4 opposed jets. We focus on two different geometries : A closed shear jet and a far shear jet configuration. Different parameters are investigated : Reynolds number and jets confining rate. The scalar concentration measurement is provided by Planar Laser Induced Fluorescence and the velocity field is obtained by Particle Image Velocimetry. Micro-mixing is experimentally quantified by dual tracer measurement technique, which compares the fluorescence signal of pure fluid to the fluorescence signal of the global mixture. The aim of this research is to use this experimental dataset to highlight the influence of the Reynolds number and the confining rate on the mixing quality and on the micro-mixing efficiency in terms of statistics. It has been proven that the efficiency grows with the Reynolds number and when the confining rate is reduced.

Keywords
Turbulence, confining flows, micro-mixing, NO PLIF, acetone PLIF, dual tracer, probability.

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