[PDF] Etude de limpact dun jet sous-détendu chaud sur une plaque plane

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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 et

Pierre MILLAN

ONERA, 2 Avenue Edouard Belin 31055 Toulouse Cedex 4

Email auteur correspondant :

david.donjat@onera.fr

1 Introduction

L"impact de jet sur une paroi reste un des moyens les plus efficaces permettant une augmentation

importante 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 plane

en 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 et

son 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"écoulement

pariétal". 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 la

zone 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 compenser

les 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"essai

Les 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 de

visualisation 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 choc

remarquables. 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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