ON ETUDIE EXPERIMENTALEMENT L'INTERACTION DE JETS DE PAROI AVEC UN ECOULEMENT TRANSVERSAL COMPRESSIBLE UNIFORME (M=0,7-0,8), POUR DES TAUX MASSIQUES D'INJECTION FAIBLES (R

Dans cette thèse on s'intéresse aux jets en écoulement transverse dans une configuration générique de celle du refroidissement par effusion de chambres de combustion aéronautiques. L'amélioration des modèles de paroi avec transfert de masse passe par une meilleure connaissance de l'interaction entre les jets et l'écoulement principal. Nous avons donc réalisé la simulation numérique directe d'un jet issu d'un perçage incliné avec ou sans giration, pour des écoulements isothermes, turbulents et à bas nombre de Mach, dans un contexte compressible. Pour cela nous avons travaillé avec la bibliothèque AeroSol d'éléments finis continus et discontinus sur maillage hybride. En particulier nous nous sommes intéressés à la stabilité des flux numériques pour le compressible instationnaire associés à la méthode de Galerkin discontinue lorsque le nombre de Mach tend vers zéro. Nous avons pu mettre en évidence des comportements instables lors de l'utilisation de discrétisation temporelle explicite que nous avons corrigés en proposant un nouveau flux. Dans un deuxième temps, nous avons effectué les développements nécessaires à la réalisation des calculs. Nous nous sommes en particulier intéressés à la génération d'un champ de vitesse turbulent synthétique par la méthode SEM (Synthetic Eddy Method) que nous avons implantée dans AeroSol et validée. Grâce aux outils de post-traitement développés, nous avons conduit l'analyse de nos résultats. Dans le cas sans giration, les comparaisons avec les résultats expérimentaux et les résultats de simulations RANS que nous avons obtenus en parallèle sur la configuration du banc d'essai MAVERIC sont encourageants. La structure moyenne d'ensemble du jet est notamment correctement reproduite. En ce qui concerne la cas avec giration, le comportement attendu de déflexion successive du jet dans les deux plans caractéristiques (plan d'injection et plan de l'écoulement transverse) est bien reproduit et illustre tout le potentiel prévisionnel de la librairie de calcul que nous avons contribué à développer.

L'amélioration des performances et des rendements de turboréacteurs passe par l'augmentation de la température des gaz de la chambre de combustion. Les éléments en aval de la chambre de combustion sont soumis à de fortes contraintes thermiques. Ainsi, les aubes de turbines basse pression possèdent plusieurs systèmes de refroidissement dont l'impact de jet. Les cas d'études de cette technique sont simplifiés et contrastent avec les géométries complexes de l'application industrielle de l'impact de jets aux aubes de turbine. Nous nous sommes intéressés à une injection à travers une paroi fine et alimentée par un écoulement amont cisaillant, afin d'être plus proche du cas réel. Notre étude comprend trois parties se basant sur ce type d'injection, pour lesquelles nous avons cherché à déterminer expérimentalement les coefficients d'échange de chaleur convectif. La première partie comprend des mesures expérimentales de vitesse par PIV et de température par caméra infrarouge, pour une configuration de jet unique en impact sur une plaque plane. Cette partie est représentative de la zone intrados/extrados d'une aube de turbine. Dans un deuxième temps on s'intéresse à l'influence de la courbure sur les échanges de chaleur d'une rangée de jets sur une paroi concave, représentant la situation au bord d'attaque. Dans un dernier temps, nous nous sommes intéressés à une configuration plus complexe, un modèle simplifié et agrandi d'une aube basse pression formé d'une partie courbe refroidie par neuf orifices et de deux parties planes refroidies chacune par trois rangées de cinq trous. Les paramètres de l'étude sont notamment la distance d'impact et les nombres de Reynolds des jets et de l'écoulement cisaillant en amont de l'injection.

LES DEUX PRINCIPALES CONFIGURATIONS DE REFROIDISSEMENT PAR IMPACT DE JETS CYLINDRIQUES, UTILISEES CHEZ SNECMA POUR REFROIDIR RESPECTIVEMENT LE CARTER ET LES AUBES DE LA TURBINE, ONT ETE MODELISEES EXPERIMENTALEMENT : (1) LA CONFIGURATION DITE COLLIERS A DOUCHE COMPREND DEUX RAMPES D'INJECTION PARALLELES ENTRE ELLES ET DISPOSEES PARALLELEMENT A LA PAROI D'IMPACT PLANE. APRES IMPACT, LE FLUIDE EST LIBRE DE S'EVACUER DANS TOUTES LES DIRECTIONS. (2) LA CONFIGURATION CONFINEE EST UN CANAL PLAN DONT L'UNE DES PAROIS EST PERCEE D'ORIFICES D'INJECTION. APRES IMPACT, L'AIR INJECTE S'EVACUE UNILATERALEMENT. DEUX TYPES DE CONDITIONS AMONT SONT ENVISAGEABLES : AVEC ET SANS ECOULEMENT CISAILLANT INITIAL. LES DEUX DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX ONT ETE CONCUS DE MANIERE A POUVOIR FAIRE VARIER LES PRINCIPAUX PARAMETRES GEOMETRIQUES ET AERODYNAMIQUES GOUVERNANT LES TRANSFERTS CONVECTIFS A LA PAROI D'IMPACT : ECARTEMENT ENTRE LES PAROIS D'INJECTION ET D'IMPACT, PAS ENTRE LES ORIFICES D'INJECTION, ESPACEMENT ENTRE LES RANGEES D'ORIFICES D'INJECTION, VITESSE DE L'ECOULEMENT D'INJECTION ET (CONFIGURATION CONFINEE) RAPPORT ENTRE LA VITESSE DE L'ECOULEMENT CISAILLANT INITIAL ET LA VITESSE DE L'ECOULEMENT D'INJECTION. UNE METHODE DE DETERMINATION DES ECHANGES THERMIQUES A LA PAROI D'IMPACT A ETE MISE AU POINT ET VALIDEE NUMERIQUEMENT. LA PAROI ELLE-MEME EST DE TYPE FLUXMETRIQUE ET LA MESURE DES TEMPERATURES SURFACIQUES EST REALISEE PAR THERMOGRAPHIE INFRAROUGE. LA DETERMINATION DES COEFFICIENTS LOCAUX ET MOYENS DE L'ECHANGE CONVECTIF PARIETAL A PERMIS DE PRECISER L'INFLUENCE DES DIFFERENTS PARAMETRES D'ETUDE. CETTE ETUDE A ETE COMPLETEE PAR UNE PREMIERE EVALUATION DES POSSIBILITES DU CODE MATHILDA, DEVELOPPE PAR L'ONERA, POUR CALCULER LES ECOULEMENTS

Nous avons cherché à quantifier expérimentalement les transferts convectifs en paroi provoqués par l'impact d'un ou de plusieurs jets. Pour ce faire, nous avons utilisé une technique basée sur l'emploi simultané d'un film chauffant et de la thermographie infrarouge. Cette technique permet d'imposer plusieurs flux à la paroi. Pour chacun de ces flux, la température de paroi est mesurée par thermographie infrarouge. Il est, dès lors, possible de calculer par régression linéaire la température adiabatique de paroi et le coefficient d'échange. Une validation a, dans un premier temps, été effectuée sur une configuration de jet unique en impact sur une paroi plane, pour plusieurs températures d'injection. Par la suite, la méthode a été appliquée aux études des influences de l'interaction entre les jets, de la présence d'un confinement et de la concavité de la paroi d'impact. Enfin, une configuration d'aube de turbine, simplifiée et agrandie, a été envisagée.

CETTE RECHERCHE CONCERNE L'INTERACTION ENTRE UN JET PARIETAL SUPERSONIQUE ET UN ECOULEMENT TRANSVERSAL COMPRESSIBLE SUBSONIQUE, TELLE QU'ELLE APPARAIT POUR LE PILOTAGE EN FORCE DES MISSILES PAR JETS LATERAUX. L'OBJECTIF DE CETTE ETUDE EST DE CONTRIBUER A LA MODELISATION DES INTERACTIONS AERODYNAMIQUES COMPLEXES SE PRODUISANT AUTOUR DE LA TUYERE D'INJECTION (INTERACTIONS PROCHES) ET DANS LE PANACHE DU JET AU NIVEAU D'EVENTUELLES SURFACES AERODYNAMIQUES (INTERACTIONS LOINTAINES). L'EFFORT EST PORTE PLUS PARTICULIEREMENT SUR LES INTERACTIONS PROCHES. DEUX APPROCHES, L'UNE EXPERIMENTALE ET L'AUTRE NUMERIQUE, SONT MENEES EN PARALLELE. UNE CONFIGURATION FONDAMENTALE, CONSTITUEE PAR UN JET D'AIR FROID SUPERSONIQUE (M=2,5) DEBOUCHANT PERPENDICULAIREMENT D'UNE PAROI PLANE EST ETUDIEE DANS UNE SOUFFLERIE TRANSSONIQUE (M=0,8). DES VISUALISATIONS STRIOSCOPIQUES, PARIETALES ET TOMOGRAPHIQUES PAR PLAN LASER SONT COMPLETEES PAR DES MESURES DE PRESSIONS ET DE VITESSES MOYENNES EN PLEIN ECOULEMENT ET EN PAROI. UNE PREMIERE CARACTERISATION DES PHENOMENES INSTATIONNAIRES A GRANDE ECHELLE EST EFFECTUEE SUR LA BASE DE TOMOGRAPHIES ET D'ANALYSES SPECTRALES PAR FIL CHAUD. UN MODELE DECRIVANT L'INTERACTION EST PROPOSE. L'ETUDE NUMERIQUE CONSISTE A SIMULER L'ECOULEMENT A L'AIDE DE DEUX CODES DE CALCUL, L'UN RESOLVANT LES EQUATIONS D'EULER, L'AUTRE CELLES DE NAVIER-STOKES AVEC UN MODELE DE TURBULENCE A DEUX EQUATIONS DE TRANSPORT ET UNE LOI DE PAROI. AVEC CE DERNIER CODE, LE MAILLAGE EST RAFFINE AUTOUR DE L'ORIFICE ET DANS LE PANACHE GRACE A UNE PROCEDURE MULTIDOMAINE ET COMPORTE PLUS DE 700 000 POINTS. APRES AVOIR ETE VALIDES PAR COMPARAISON AVEC L'EXPERIENCE, LES RESULTATS NUMERIQUES SONT EXPLOITES POUR COMPLETER LE MODELE DES INTERACTIONS. CES SIMULATIONS NUMERIQUES PARTICIPENT EGALEMENT A L'ORIENTATION DES DEVELOPPEMENTS FUTURS DES CODES DE CALCUL ET DE LA RECHERCHE EXPERIMENTALE.

L'OBJET DE CETTE THESE CONCERNE LE REFROIDISSEMENT PAR FILM DES AUBES DE TURBINES. LA SIMULATION NUMERIQUE NOUS A PERMIS D'ETUDIER DANS LE DETAIL LES PHENOMENES D'INTERACTION ENTRE ECOULEMENT PRINCIPAL ET JETS DE REFROIDISSEMENT. A CET EFFET, LES EQUATIONS DE BILAN DES ECOULEMENTS TRIDIMENSIONNELS, COMPRESSIBLES ET TURBULENTS SONT INTEGREES SUR DES MAILAGES COMPOSES DE SOUS-DOMAINES STRUCTURES. LA PREMIERE PARTIE DE CE TRAVAIL PRESENTE LA METHODE NUMERIQUE UTILISEE: SCHEMAS NUMERIQUES, MODELISATION DE LA TURBULENCE ET DES ECHANGES PARIETAUX. ON S'EFFORCE DANS UNE DEUXIEME PARTIE D'ANALYSER LE REFROIDISSEMENT PAR FILM EN PARTANT DE LA CONFIGURATION LA PLUS SIMPLE PUIS EN INTEGRANT PROGRESSIVEMENT L'ENSEMBLE DES FACTEURS QUI ENTRENT EN JEU DANS LES MOTEURS. ON ETUDIE EN PREMIER LIEU L'INTERACTION ENTRE UN JET UNIQUE ET UN ECOULEMENT SUR UNE PLAQUE PLANE. CECI NOUS A PERMIS D'ANALYSER EN DETAIL LA ZONE D'EMISSION ET DE METTRE EN EVIDENCE LES PROCESSUS TOURBILLONNAIRES INDUITS. APRES AVOIR PRECISE LA NOTION DE COEFFICIENT D'ECHANGE, ON QUANTIFIE L'EFFET DES DIFFERENTS PARAMETRES SUR L'EFFICACITE DE REFROIDISSEMENT. ON ABORDE ENSUITE LE CAS OU UNE RANGEE D'EVENTS CONTRIBUE AU REFROIDISSEMENT ET ON PRESENTE UN MODELE ANALYTIQUE QUI DECRIT LE PHENOMENE D'INDUCTION TOURBILLONNAIRE. EN VUE D'ETENDRE CE TRAVAIL A DES CONFIGURATIONS PLUS REALISTES ON S'ATTACHE A DECRIRE L'INFLUENCE DES EFFETS INERTIELS SUR LE REFROIDISSEMENT. A CE TITRE, L'ACCELERATION DE L'ECOULEMENT PRINCIPAL, LA COURBURE DE LA PAROI PUIS LA ROTATION SONT SUCCESSIVEMENT ETUDIEES. ON S'INTERESSE ENFIN AU REFROIDISSEMENT PAR FILM DANS LE CAS DU PASSAGE INTERAUBE. CE DERNIER POINT A FAIT L'OBJET DE COMPARAISONS QUI REVELENT UN BON ACCORD ENTRE LA SIMULATION NUMERIQUE ET LES RESULTATS EXPERIMENTAUX. NOTRE CONCLUSION S'EXPRIME SOUS FORME DE BILAN ET DE PERSPECTIVES