Projet ANR-12-BS09-0016 – MUVAR : Phénoménologie du mélange turbulent en écoulement gazeux inhomogène à viscosité et densité variables
Programme : Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédés, Energie (Blanc SIMI 9) 2012
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Madame Luminita DANAILA (Complexe de Recherche Interprofessionnel en Aérothermochimie)
Partenaires : Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Équilibre; Complexe de Recherche Interprofessionnel en Aérothermochimie
Montant : 358966.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : Résoudre la 'théorie de la turbulence' suppose la capacité de prédire le comportement statistique de tout champ turbulent. Alors que les études traditionnelles de la turbulence concernent les fluides homogènes, les écoulements à viscosité/densité variables représentent la plupart des écoulements réels. En conséquence, il est important du point de vue fondamental mais aussi économique, de comprendre, dans un but de prédiction,  le mélange de fluides à viscosité et densité variables. La composition du fluide représente un scalaire actif, car il peut modifier la valeur locale du champ de vitesse.  
Cette étude sera faite en considérant deux situations, en fonction des  valeurs des rapports des densités et viscosités des deux fluides: 
1.	fluides avec la même densité, mais des viscosités différentes;
2.	fluides avec la même viscosité, mais des densités différentes. Ces deux situations représentatives seront comparées avec un cas de référence, celui du mélange de scalaire passif, pour lequel les viscosités et densités sont les mêmes (air très faiblement chauffé, mélangé dans de l'air frais).
Le but final de ce projet est d'avancer dans notre compréhension de la phénoménologie du scalaire actif, et de prédire ses statistiques. En conséquence, nos objectifs sont des questions reliées à la physique du mélange de scalaire actif. Toutes les questions énoncées par la suite comportent des verrous scientifiques. On se propose de lever ces verrous, en adoptant différents outils d'analyse (analytiques, expérimentaux et numériques). Les questions sont : 
1) Quelle est la morphologie du champ dynamique et du mélange ?
2) Comment peut-on caractériser l'écoulement et le mélange d'un point de vue statistique ?
3) Quelles sont les équations dynamiques de transport de ces statistiques d'ordre deux, et trois ?   
4) Quelle est la phénoménologie du mélange associée à ces équations de transport de l'énergie à chaque échelle ? La fermeture correcte des termes triples dans ces équations est équivalente à une identification correcte de certains phénomènes caractéristiques du mélange, et en particulier de l'influence de la viscosité/densité. 
5) Quelles sont les fermetures les plus pertinentes des termes triples ?
6) Quel est le temps caractéristique du mélange (le temps que le mélange soit 'fait', i.e. que les plus petites échelles soient créées), à chaque position dans l'écoulement ? 
7) Quels sont les régimes d'écoulement, les formes des buses des jets etc. qui sont les plus favorables à un 'bon' mélange ? 
Les réponses à ces questions seront données en utilisant d'une manière intelligente et interactive, trois types d'outils analytiques/théoriques, expérimentaux et numériques. L'étude expérimentale concerne un jet rond d'un certain fluide, qui débouche dans un milieu avec un autre fluide. Deux types d'expériences seront faites, correspondant aux cas 1) et 2) mentionnés antérieurement :
-mélange de deux fluides avec la même densité, mais de viscosité variable, (e.g. propane/air), au  CORIA;
-mélange de deux fluides avec la même viscosité, mais de densités différentes (e.g. helium/air), à l'IRPHE. 
  Dans les deux cas, les techniques expérimentales concernent des mesures planaires de vitesse (PIV) et de scalaire (par diffusion Rayleigh, ou PLIF sur acétone).  Pour certaines situations, des mesures en un point  de trois composantes de la vitesse, par ADL, seront faites. 
Alors que les mesures seront faites pour des nombres de Reynolds basés sur la microéchelle de Taylor allant de basses valeurs (bien en dessous de 100)  jusqu'à plus de 100, les simulations numériques des jets à densité/viscosité variables seront faites pour les régimes les plus bas. La base de données  numériques va apporter une importante information qui n'est pas disponible expérimentalement (une composante de vitesse non-mesurable, ou des informations sur le taux de dissipation de l'énergie cinétique de la turbulence et de la variance du scalaire, par exemple).