LARGE EDDY SIMULATION OF A PLANE TURBULENT IMPINGING JET
SIMULATION DES GRANDES ÉCHELLES TURBULENTES D'UN JET PLAN EN IMPACT
Résumé
This work deals with the study of a plane turbulent impinging jet using large eddy
simulation. Plane impinging jets are widely used in industrial domain, they find many applications
in materials processing and manufacturing, heating and cooling surfaces. The aimed applications
concern in particular air curtains devices used as climatic ambience separation or security elements for
prevention and protection against gas and solid pollution. A hermitian fractional time step numerical
method is used to solve the incompressible Navier-Stokes equations. The space filtered equations are
closed using the eddy viscosity assumption. The Smagorinsky model is tested as a first approach
but reveals its excessive dissipation. This model is rejected in favour of the dynamic Smagorinsky
model able to take into account the anisotropy of the flow. The statistical results are first validated
with the measurements of the literature. The effect of the Reynolds number (3000 ≤ Re ≤ 13500)
on the kinematic development of the jet is discussed: mean and turbulent quantities are presented.
We also focus on the dynamics of the coherent structures present in the flow using instantaneous
visualizations of the velocity and vorticity fields. This study reveals the strong three-dimensional
nature of the flow in the vicinity of the impingement and the existence of counter-rotating vortices
extending from both sides of the symmetry plane of the jet. This approach is completed with particle
tracking. Finally, an investigation of mass transfers using passive scalar is carried out and exhibits
that these transfers occur for the most part in the impinging region.
Ce travail concerne l'étude d'un jet plan turbulent en impact par simulation des grandes échelles turbulentes. Le jet plan en impact est très largement utilisé dans le milieu industriel et couvre des domaines d'application aussi variés que les procédés de fabrication et de traitements des matériaux, le refroidissement ou le réchauffement de surface. Le contexte de cette étude concerne plus particulièrement l'écoulement du jet plan utilisé comme séparateur d'ambiances climatiques ou comme élément de sécurité pour la prévention et la protection de pollution gazeuse ou solide. Une méthode numérique hermitienne, à pas fractionnaire est utilisée pour résoudre les équations de Navier-Stokes incompressibles. La fermeture des équations filtrées repose sur le concept de viscosité turbulente. Le modèle de sous-maille de Smagorinsky, initialement mis en oeuvre a révélé son caractère excessivement dissipatif. Ce modèle a été abandonné au profit du modèle de Smagorinsky dynamique apte à traduire les effets locaux d'anisotropie. Dans un premier temps, les résultats statistiques sont validés avec les mesures de la littérature. L'effet du nombre de Reynolds (3000 < Re < 13500) sur le développement cinématique du jet est discuté : les grandeurs moyennes et turbulentes sont présentées. Une attention particulière est portée sur la dynamique des structures cohérentes présentes dans l'écoulement à l'aide de visualisations instantanées des champs de vitesse et de vorticité. Cette étude révèle le caractère fortement tridimensionnel de l'écoulement dans la zone d'impact et la présence de structures contrarotatives qui traversent l'axe du jet. Une approche complémentaire à l'aide de traceurs lagrangiens est également effectuée. Enfin, l'étude des transferts de masse à l'aide d'un scalaire passif montre que ces transferts s'opèrent préférentiellement dans la zone d'impact.