Etudes expérimentales des échanges convectifs dûs aux développements d'un film d'air froid

par Minh Nhat Nguyen

Thèse de doctorat en Energie, thermique, combustion et mécanique des fluides

Sous la direction de Eva Dorignac et de Matthieu Fénot.


  • Résumé

    Nos travaux portent sur la technique de refroidissement par multiperforation (film cooling) utilisée, par exemple, pour le refroidissement d'une paroi de chambre de combustion. Cette étude se décompose en deux parties : La première partie consiste en une étude expérimentale du film cooling dans les conditions de basses températures: 40°C pour l'écoulement principal et 20°C pour l'écoulement secondaire. Le taux de soufflage M est variable de 1 à 4. Le banc d'essais est composé d'une plaque comportant 81 orifices d'injection inclinés de 30° par rapport à la surface de la plaque. Dans un premier temps, nous avons étudié l'influence du taux de soufflage M et de l'ouverture des rangées d'injections sur la formation de la couche de refroidissement. Cette première étape a permis de déterminer une configuration de base. Cette configuration correspond au nombre de rangées minimal nécessaire à la formation de la couche de refroidissement. Dans un deuxième temps, nous avons étudié l'influence de deux paramètres géométriques sur le film cooling : l'espacement entre deux injections p/D=4, 8, 12 et l'espacement entre deux rangées ouvertes s/D=4, 8, 12. Les résultats obtenus ont montré que l'augmentation de l'espacement entre les injections entraîne d'une part, la diminution de l'efficacité adiabatique du refroidissement, d'autre-part la diminution des transferts de chaleur. Dans un dernier temps, l'objectif de nos travaux est l'optimisation du maintien de la couche de refroidissement. Pour cela, nous avons proposé l'ajout d'une zone d'injection supplémentaire à la suite de la configuration de base. Ainsi, nous avons trouvé que l'ouverture d'une seule rangée supplémentaire permettait d'améliorer l'efficacité du refroidissement quelle que soit la position de cette rangée par rapport à la zone d'injection de base. D'autre part, l'efficacité du film cooling s'améliore significativement à l'ouverture de trois rangées supplémentaires. Nous constatons un meilleur maintien de la couche de refroidissement par l'ajout de rangées adjacent à la configuration de base. La deuxième partie est consacrée aux études du refroidissement sur un banc d'essais quasi industriel, appelé banc Thalie. Ce banc d'essais permet de reproduire des conditions aérothermiques proches de celles rencontrées dans une chambre de combustion (température jusqu'à 1400K et pression jusqu'à 7. 10 5 Pa). Cependant, ces conditions extrêmes n'autorisent pas l'application directe des techniques expérimentales développées à des conditions de températures et de pressions plus faibles. Aussi, l'objectif de cette partie expérimentale est de mener une étude de faisabilité sur une nouvelle technique de mesure. Pour cela, une technique de mesure en régime transitoire est proposée. Le principe de cette méthode est d'imposer un échelon de température sur l'écoulement primaire et de suivre l'évolution du champ de température de la paroi. Les coefficients d'échange entre la paroi et les écoulements sont identifiés en minimisant l'écart entre le champ de température mesuré par thermographie infrarouge et celui calculé par la résolution de l'équation de transfert de chaleur.

  • Titre traduit

    Experimental study of convective heat transfer due to the development of a cold film air


  • Résumé

    Our work focuses on the technique of film cooling used, for example, for cooling wall of the combustion chamber. This study consists of two parts : The first part consists of an experimental study on the film cooling in conditions of low temperature : 40°C for the mainstream flow and 20°C for the coolant flow. The blowing ratio M ranges from 1 to 4. The test rig consists of a plate with 81 injection holes inclined at 30° with respect to the surface of the plate. The first, we study the influence of blowing ratio M and the influence of the opening of the rows of holes on the formation of the film cooling. This first step has determined a base configuration. This configuration corresponds to the minimum required number of rows of holes for the formation of the film cooling. The second, we studied the influence of two geometric parameters on the film cooling: the inter-holes distance p/D = 4, 8, 12 and the inter-rows distance s/D = 4, 8, 12. The results showed that increasing of the spacing between injections leads to the decrease of the adiabatic effectiveness of film cooling and the decrease of the heat transfer coefficient. The last, the goal of our work is to optimize the maintenance of the cooling layer. For this, we proposed adding a further injection pattern following the basic configuration. Thus, we found that the opening of one additional row improve the cooling effectiveness whatever the position of the adding row of holes is from the base configuration. On the other hand, the opening of three additional rows gives significant improvements of the adiabatic effectiveness of film cooling. We have noted better maintenance of the film cooling by adding rows adjacent to the base configuration. The second part is devoted to studies of cooling on a virtual test bench industrial bench called Thalie. This test bench allows to reproduce conditions similar to those aero-thermal encountered in a combustion chamber (temperature up to 1400K and pressures up to 7. 10 5 Pa). However, these extreme conditions do not allow the direct application of the experimental techniques developed in the conditions of lower temperature and pressures. Therefore, the objective of this experimental part is to conduct a feasibility study on a new measurement technique. For this, a technique for measuring transient is proposed. The principle of this method is to impose a level of temperature on the primary flow and monitor the temperature field of the wall. The heat transfer coefficients between the wall and flows are identified by minimizing the difference between the wall temperature measured by infrared thermography and the one calculated by solving the equation of heat transfer.

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  • Détails : 1 vol. (199 p.)
  • Annexes : Bibliographie 63 réf.

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