Fluctuations de densité dans la turbulence d'un jet. Observation par diffusion Rayleigh et détection hétérodyne

Abstract
An optical diagnostic system, designed for fluctuating transparent media, is described together with its use on a free jet of air. This diagnostic uses Rayleigh scattering from a 10.6 microns plane electromagnetic radiation, and its heterodyne détection. Direct relations are given between the density fluctuation spectral density, rms fluctuation, and the signal frequency spectrum and ratio to quantum noise. Applying this method to a free jet, three aspects of gas turbulence are readily observed : transition from flow turbulence to sound waves on the edge ; spectrum anisotropy depending on the wave vector angle with the flow axis ; and the wavenumber spectrum scale law, which is found within one per cent of the Kolmogorov value.

Résumé
On décrit une méthode optique pour l'observation des milieux transparents dont la densité fluctue, et son utilisation sur un jet libre d'air comprimé. Cette méthode utilise la détection hétérodyne d'un rayonnement électromagnétique plan, de dix microns de longueur d'onde, diffusé par les constituants atomiques (diffusion Rayleigh). On montre comment la densité spectrale des fluctuations de densité, en fréquence et en vecteur d'onde, ainsi que la valeur quadratique moyenne de ces fluctuations, peuvent être obtenues à partir du spectre fréquentiel du signal et de son rapport signal sur bruit quantique. En appliquant cette méthode à l'étude d'un jet libre, on observe directement trois aspects de la turbulence des gaz : la transition entre les fluctuations de turbulence et celles d'ondes sonores, au bord du jet ; l'anisotropie du spectre selon l'orientation du vecteur d'onde par rapport à l'axe de l'écoulement ; enfin, la loi d'échelle du spectre en nombre d'onde, qui suit à un pour cent près la loi de Kolmogorov.