Etude expérimentale et numérique des phénomènes de refroidissement par jets issus d'orifices évasés

par Sylvain Barthet

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides

Sous la direction de Francis Leboeuf.

Soutenue en 2000

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon .


  • Résumé

    L'amélioration du rendement des turboréacteurs passe par l'augmentation de la température des gaz dans la chambre de combustion. Les températures atteintes nécessitent alors la protection des aubages pour préserver la durée de vie du moteur. La technique la plus efficace est le refroidissement par film qui résulte de l'éjection d'air à la paroi sous la forme de jets. Les orifices évasés ont montré de meilleurs résultats par rapport aux trous cylindriques. Ce travail concerne l'étude des phénomènes physiques impliqués dans les échanges thermiques au voisinage d'un jet issu d'un orifice évasé. Nous avons considéré deux approches complémentaires : une voie numérique et une voie expérimentale. La voie numérique privilégie l'approche cinématique. Les calculs ont été réalisés à l'aide du code CANARI développé par l'ONERA. Il résout les équations moyennes tridimensionnelles de Navier-Stokes associées à un modèle de turbulence k-ε. Les simulations recensent les différentes structures tourbillonnaires présentes : le tourbillon en fer à cheval, le tourbillon de bec, les tourbillons contrarotatifs, les tourbillons induits ou encore les mini-tornades. Nous avons fait varier l'angle d'injection (50° ou 90°) et constaté des différences sur l'organisation des structures tourbillonnaires. De même la topologie de l'écoulement s'est révélée différente entre des jets inclinés issus d'orifice cylindrique et d'orifice évasé. Une importante bulle de décollement dans l'orifice évasé a été observée ainsi que des phénomènes d'ingestion de fluide incident dans le tube d'injection. Nous avons montré les conséquences immédiates de ces particularités sur la qualité de refroidissement. Les résultats de calculs satisfaisants valident notre approche numérique et encouragent ainsi la poursuite du travail vers une optimisation de l'injection. Notre analyse est complétée par les résultats de l'expérience qui étudie la zone de proche injection d'un point de vue cinématique et thermique. Le dispositif expérimental consiste en une rangée d'orifices évasés disposés sur l'extrados d'une aube de turbine grande échelle de 1,4m de corde. Des visualisations par tomographie laser et des mesures de pression d'arrêt dans le jet et à l'intérieur même de l'orifice ont permis de déterminer le comportement global du jet et de mettre en évidence les deux bras du tourbillon en fer à cheval et la zone de recirculation en amont du jet à la paroi. Des mesures de vitesse très près de la paroi et dans le tube d'injection (anémomètrie laser Doppler) ont confirmé la présence de la zone de décollement dans l'orifice évasé. Les mesures PIV (vélocimétrie par images de particules) ont permis d'accéder aux champs de vitesse instantanée et d'observer des anti-tourbillons inhérents à ce type de configuration géométrique évasée. Nous avons exposé une hypothèse quant à leur origine sans pouvoir toutefois la vérifier. La meilleure efficacité du jet issu d'un orifice évasé a été expliquée par sa plus grande diffusion et donc sa meilleure couverture de la paroi. Les antitourbillons n'ont probablement qu'un effet réduit sur les performances de refroidissement. Des mesures thermiques au sein du jet ont été réalisées à l'aide d'un fil froid. Elles ont révélé le lien qui existe entre les structures tourbillonnaires et le champ de température moyenne et ont confirmé la meilleure efficacité de refroidissement du jet issu de l'orifice évasé. Les mêmes constatations ont été faites pour l'analyse des champs de température pariétale mesurée par caméra infrarouge et par utilisation de cristaux liquides.


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Informations

  • Détails : 1 vol. (254 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : 94 ref.

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  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T1857
  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
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