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corrugations rectangulaires ou triangulaires à la surface de la plaque plane d'impact permet une augmentation significative du nombre de Nusselt moyen et
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Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2010, Vandoeuvre-lès-Nancy, 14 - 17 septembre 2010
Etude de l"impact d"un jet sous-détendu chaud
sur une plaque plane David DONJAT, Francis MICHELI, Domingo LLACER-RAVINET, Philippe REULET etPierre MILLAN
ONERA, 2 Avenue Edouard Belin 31055 Toulouse Cedex 4Email auteur correspondant :
david.donjat@onera.fr1 Introduction
L"impact de jet sur une paroi reste un des moyens les plus efficaces permettant une augmentationimportante des échanges locaux de chaleur. Ces configurations sont donc particulièrement
utilisées dans les systèmes aérothermiques. Inversement, certaines situations de jet en impact
peuvent être préjudiciables. Ainsi, deux exemples concrets mettant en cause des jets
supersoniques chauds peuvent être évoqués : le percement accidentel d"une paroi de chambre de
combustion dans un moteur ou une conduite de ventilation sous pression ou bien les jets d"éjection
induisant des effets de sol dégradant les performances des avions à décollage vertical. La
littérature rend compte de plusieurs études sur l"impact des jets modérément à fortement sous-
détendus, tant d"un point de vue aéroacoustique que thermique. Néanmoins, le comportement
aérothermique et par conséquence les effets d"échange avec la paroi restent mal connus. De plus
ces écoulements apparaissent comme des cas difficiles à simuler d"un point de vue numérique.
C"est dans ce contexte que l"ONERA a mis en place une campagne expérimentale sur le cas d"un jet fortement sous-détendu chaud (NPR=2.65 et Ti=423K) impactant normalement une paroi planeen considérant un faible écartement (h/D=3). Le but principal de ces travaux est d"améliorer la
connaissance des échanges thermiques au niveau de la plaque impactée pour une telle
configuration avec comme objectif final de définir un cas de validation pour une approche par simulation numérique.2 Phénoménologie du jet sous-détendu en impact
2.1 Le jet libre
Un jet sous-détendu est caractérisé par une pression statique dans le plan de sortie de l"ajutage
plus élevée que la pression statique du milieu dans lequel il se déplace. Ce jet est largement décrit
dans la littérature (voir la synthèse établie par Lehnasch [1]). Ainsi, il est connu que la structure de
la zone de champ proche qui s"étend de la section d"ajutage jusqu"à la dernière cellule de choc
identifiable évolue fortement en fonction de la valeur du rapport NPR (ou "Nozzle Pressure Ratio",
défini comme étant le rapport entre la pression statique à l"ajutage et la pression statique
ambiante). Figure 1 : Evolution de la structure du jet sous-détendu libre suivant le NPR (Ti=293K) -Strioscopie éclair (
Dt=200 ns)
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La figure 1 donne une évolution qualitative de la topologie du jet en fonction du NPR à partir de
visualisations strioscopiques et une description détaillée peut être trouvée dans Lehnasch [1] et
Cumber [6][7]. Le principal critère géométrique qui permet de caractériser l"évolution de la
structure de choc pour des NPR supérieurs à 2 est le premier disque de Mach par sa position etson diamètre. Un ensemble de données ainsi qu"un jeu de corrélations existent (Antsupov [4] et
Ashkenas [8]), néanmoins leur comparaison montre un écart de résultats non négligeable, en
raison sans doute de la difficulté de la mesure et de la génération des jets.2.2 Mise en impact
En condition d"impact, la structure de l"écoulement se décompose classiquement en trois zones distinctes appelées d"amont en aval "zone de jet libre", "zone d"impact" et "zone d"écoulementpariétal". Dans le cas supersonique, cette structure dépend aussi fortement de la distance h entre
section d"ajutage et paroi qui conditionne le développement ou non d"une zone de recirculation à
l"impact :· Pour une distance h très faible, la déflexion des lignes de courant à vitesse supersonique
près de la paroi induit la formation d"un choc dit "en plateau" qui s"étend sur la largeur du noyau supersonique du jet. · Dans le cas où cette distance h reste faible, le premier disque de Mach peut interagir avec le choc en plateau pour former une structure centrale de choc double, à laquelle se rattache un choc oblique dit "en queue". Au niveau du point triple existe une ligne de glissement qui sépare l"écoulement subsonique de l"écoulement supersonique. · Avec l"augmentation de l"écartement, le choc en plateau se positionne en aval du disque de Mach, la première structure de choc restant insensible à la zone d"impact. En fonction du NPR et de la distance h, cette ligne de glissement peut interagir avec la couche limite se développant au niveau de la paroi jusqu"à l"amorçage d"une bulle de recirculation dans lazone d"impact. Cette évolution de la structure de l"écoulement est bien décrite par
Henderson [5] (voir figure 2).
· Pour une distance suffisamment importante qui correspond à un retour du jet au régime subsonique, l"impact est analogue à celui d"un jet subsonique. Figure 2 : Structure du jet sous-détendu en impact pour un h/D faible (d"après [5])3 Mise en place de l"expérience
3.1 Description du banc
Le banc expérimental mis en place est constitué d"une ligne d"air chaud débouchant au niveau
d"un éjecteur convergent (voir figure 3). Cette ligne est alimentée par un réseau 80 bar et fournit un
débit régulé sur une plage de 0.15 à 3.0 kg/s. Un réchauffeur électrique de 570 kW permet une
régulation de la température en sortie jusqu"à 400°C sous une pression maximale de 10 bar. Pour
un débit inférieur à 0.45 kg/s, le banc peut fonctionner en continu. Les tuyauteries sont isolées en
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aval du réchauffeur afin de minimiser les pertes thermiques. Un second réchauffeur électrique
installé au niveau de la chambre de tranquillisation en aval du convergent permet de compenserles pertes en ligne. Le diamètre de l"orifice de sortie d"éjecteur est noté D et est égal à 22 mm. La
buse est habillée par une flasque plane afin de se placer dans des conditions confinées. Le jet
d"air produit par cet éjecteur impacte alors une plaque de titane placée perpendiculairement à son
axe à une distance h telle que h/D=3. Figure 3 : Banc expérimental et conditions d"essaiLes capacités de cette installation permettent de générer un jet sous-détendu pour une gamme de
NPR comprise entre 1.0 et 4.7 pour les deux températures génératrices Ti considérées (293 et
423K).
3.2 Visualisation par strioscopie éclair
Afin de caractériser qualitativement l"écoulement de jet libre puis impactant, une campagne devisualisation est effectuée avec l"aide d"un banc de strioscopie (ou Schlieren) qui reste une
technique de visualisation optique incontournable pour observer des écoulements à forts gradients
de densité (voir la synthèse de Settles [2]). Le dispositif optique classique permettant un filtrage de
la lumière afin de ne recueillir que les faisceaux déviés est rappelé en figure 4. Deux approches
sont considérées. D"une part, des images de strioscopie moyennées sont réalisées pour des
temps d"exposition de plusieurs millisecondes sur caméra ou bien en projection sur un écran. Ces
clichés donnent une approximation de la structure de l"écoulement et permettent après traitement
une estimation de la dimension moyennée ou de la position moyennée des structures de chocremarquables. Dans un second temps, des images de l"écoulement instantané sont réalisées à
partir d"un montage de strioscopie éclair qui comporte une source de lumière de type "nanolite"
couplée à un condenseur permettant des temps d"exposition de l"ordre de 200 nanosecondes.Figure 4 : Principe de la mesure strioscopique
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