Estimates of convection velocity of large turbulent structures in supersonic mixing layers

• Published in: Aerospace science and technology 1997-07, Vol.1 (5), p.355-366
• Main Authors: Barre, S, Dupont, P, Dussauge, J.P
• Format: Article
• Language: English
• Subjects: Compressible turbulence; Convection and heat transfer; Convection velocity; Couches de mélange supersoniques; Exact sciences and technology; Fluid dynamics; Fundamental areas of phenomenology (including applications); Group velocity; Large scale structures; Physics; Structure à grande échelle; Supersonic mixing layers; Turbulence compressible; Turbulent diffusion; Turbulent flows, convection, and heat transfer; Vitesse de convection; Vitesse de groupe
• ISSN: 1270-9638; 1626-3219
• DOI: 10.1016/S1270-9638(97)90056-0

Turbulent transport in mixing layers depends critically on the behaviour of large scale structures. In high speed flows, if the difference between their convection velocity and the velocity in the external flows is supersonic, compressibility effects appear. They modify turbulent diffusion and the general properties of the layer. In the present work, the convection velocities are estimated from mean measurements available in the literature. They are applied to a simple turbulent diffusivity model and to a scheme of shocks attached to eddies. Moreover, first direct measurements of the group velocity of large scale structures are performed in a particular experiment (Convective Mach number 0.62) by hot-wire anemometry. The results show that in some flows the convection speed is close to its isentropic estimate. It is deduced that in such flows no important shocks are produced by the eddies. In other flow cases, the eddies are found to travel practically at the speed of one of the external flows. These results are discussed. A possible interpretation is that the non-isentropic behaviour observed in the last group of flows is a consequence of confinement. La diffusion turbulente dans les couches de mélange dépend fortement de la structure des tourbillons à grande échelle. En couche de mélange supersonique, la différence entre la vitesse de convection de ces tourbillons et celles des écoulements extérieurs peut être elle-même supersonique. La compressibilité modifie alors la diffusion turbulente et l'organisation générale de l'écoulement. Dans le présent travail, ces vitesses de convection sont estimées à partir d'un schéma de diffusion turbulente, ainsi que d'un schéma de choc associé aux tourbillons et appliqués aux mesures moyennes disponibles dans la littérature. Par ailleurs des premières mesures directes de vitesse de groupe effectuées par anémomètres à fil chaud sont présentées dans un cas d'expérience particulier : la couche de mélange étudiée à un nombre de Mach convectif de 0.62. Les résultats montrent que dans quelques écoulements les grands tourbillons se déplacent à une vitesse proche de l'estimation isentropique de la vitesse de convection. Cela conduit à penser qu'il n'y a pas d'ondes de choc importantes produites par les tourbillons. Dans d'autres cas d'écoulements, la vitesse de convection des tourbillons est proche de celle de l'un des écoulements extérieurs. Une interprétation possible est que ces derniers comportements dissymétriques sont dû