Validation de la BOS

Chapitre 9

Jets subsoniques libres

L’objectif de ce chapitre est de déterminer expérimentalement les volumes et les masses inflammables générés par des jets libres et subsoniques d’hélium, par analogie avec l’hydrogène. Les prédictions des lois de similitude seront comparées aux résul- tats obtenus afin de pouvoir estimer par la suite les volumes et les masses générés par des fuites d’hydrogène de conditions similaires. Pour ce faire, il est important de vérifier au préalable la similitude des jets d’hélium avec les jets d’hydrogène, par l’intermédiaire des décroissances axiales et radiales de la concentration.

Pour pouvoir utiliser la BOS comme moyen de mesure quantitative il est néces- saire de valider sa capacité à mesurer un champ de masse volumique. La validation est réalisée pour des jets libres subsoniques d’hélium : elle s’appuie d’une part sur des mesures effectuées par sonde aspirante, et d’autre part sur des exemples classiques de la littérature comme la décroissance axiale, l’épanouisement, et la décroissance radiale de la concentration.

estimée à 3% :Uj = 104m.s⁻¹, soit Rej = 7000(BOS61, annexeE.8). Le jet a alors le même nombre de Reynolds que ceux étudiés expérimentalement par Djeridane (1994).

Les champs de masse volumique, de fraction molaire, et de concentration du jet sont successivement calculés par la BOS (section 7.2.5). Les évolutions suivantes, carac- téristiques des jets subsoniques à densité variable, sont obtenues à partir du champ de masse volumique :

1. évolutions axiales et radiales de la masse volumique moyenne ρc(x) etρ(r, x) 2. évolutions axiales et radiales de la concentration moyenne Cc(x) etC(r, x) 3. évolution axiale de la demi-largeur LC(x) de profil moyen de concentration

Comme le montre la figure7.5 2 de la section7.2.5, les masses volumiques calculées en sortie d’orifice pour l’hélium et pour l’air ambiant sont identiques aux masses volumiques théoriques :ρHe ≈0,17kg.m⁻³ et ρair ≈1,2 kg.m⁻³.

9.1.1 Concentration axiale moyenne

Il est important de vérifier si l’évolution de la concentration axiale moyenne est cohérente avec la littérature existante. Le jet s’épanouisant, le nombre de pixels sur lesquels l’intégration est effectuée augmente et la norme des gradients de densité diminue. Les validations qui suivent sont réalisées pour le champ proche et le champ lointain de jets d’hélium : x≤100Dj

La figure 9.1 présente les évolutions de la concentration axiale moyenne de jets d’hélium et d’hydrogène en fonction de l’abscisse normalisée par le diamètre équi- valent de Thring & Newby (1952). La concentration est représentée en mode semi- logarithmique de manière à distinguer aussi bien les fortes et les faibles concen- trations. En plus des résultats obtenus en champ proche pour le jet d’hélium de Dj = 8 mm, des résultats obtenus en champ lointain pour un jet de Dj = 2 mm sont également présentés. Les mesures BOS sont comparées d’une part à des mesures ponctuelles réalisée à l’aide de la sonde aspirante (section 7.3), et d’autre part aux données de la littérature. Le jet utilisé pour ces prélèvements par sonde est un jet

9.1 Validation de la BOS

Concentrations axiales

Cc

0,1 11

x/Dj (ρj/ρa)^-0,5

0 50 100 150 200 250 300

Mesures expérimentales en Hélium : BOS, champ proche : Rej=7000 BOS, champ lointain : Rej=3000

Sonde aspirante, champ lointain : Rej=3000 Données de la littérature :

Hélium : Pitts (1991), Richards (1993), et Wang (2008)

Hélium : Djeridane (1994) Hélium : Panchapakesan (1993) Hydrogène : Schefer (2008)

Figure9.1 – Concentrations axiales moyennes de jets subsoniques d’hélium et d’hydrogène représentées en fonction de l’abscisse de la mesure et du diamètre équivalent

d’hélium de Dj = 2 mm et de Rej = 3000. La figure 9.1 montre que les mesures de concentration axiale par la BOS sont en adéquation avec les mesures par sonde aspirante ainsi qu’avec les données de la littérature. Il n’est pas tenu compte ici d’une éventuelle influence du nombre de Froude qui détermine la limite de la région inertielle (section 3.6) : certains auteurs comme Djeridane (1994) ou Panchapake- san & Lumley (1993) ont effectué certaines ou toutes leurs mesures dans la région intermédiaire où la concentration axiale diminue plus rapidement que dans la région inertielle.

9.1.2 Concentration radiale moyenne

En complément de la concentration axiale, il convient de valider les mesures radiales de la concentration moyenne. Pour ceci, les profils radiaux doivent converger vers le profil de similitude énoncé à l’équation3.39à mesure quexaugmente. L’étude est portée sur le jet d’hélium de Dj = 2 mm dont l’évolution de la concentration axiale a déjà été présentée.

La figure 9.2 présente les profils radiaux moyens de concentration en champ proche et en champ lointain, pour le jet d’hélium présenté précédemment. La repré- sentation du champ proche (x <30Dj) montre que la similitude est atteinte à partir

Champ proche

C/Cc

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

r/Lc

0 1 2 3 4

e^-Sct(r/Lc)^2

x/Dj=5 x/Dj=10 x/Dj=15 x/Dj=20 x/Dj=25

Champ lointain

C/Cc

-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

r/Lc

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

e^-Sct(r/Lc)^2

x/Dj=30 x/Dj=50 x/Dj=70 x/Dj=90

Figure 9.2 – Superposition des profils radiaux de la concentration moyenne, normalisés par la valeur maximale sur l’axe et par la demi-largeur de profil moyen pour un jet d’hélium de Dj = 2 mmet Rej = 3000 (BOS101, annexe E.8)

de15Dj, ce qui confirme l’analyse deDjeridane (1994). Au-delà, les profils se super- posent relativement bien à la loi de similitude. Les écarts qui peuvent apparaître en champ lointain, comme c’est le cas avec le profil pris à x= 50Dj, proviennent d’un effet local lié au bruit de fond.

Que ce soit pour les mesures axiales ou radiales de concentration, la BOS s’est montrée en bon accord avec les mesures réalisées par sonde aspirante et avec les résultats de la littérature.