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.

L'impact de jets est largement utilisé aujourd'hui dans l'industrie car ils génèrent d'importants transferts de chaleur et/ou de masse. Pour le refroidissement de la surface interne d'une aube de turbine, dans la région à mi-corde, la courbure est si faible que l'on peut, en première approximation, considérer que les jets frappent une paroi plane. Cette hypothèse n'est plus vraie au bord d'attaque où les jets viennent frapper une plaque courbe concave. Malheureusement très peu d'études concernent l'impact de jets sur des parois courbes (une quinzaine au plus, en 30 ans). Pour aborder cette problématique nous avons entrepris, dans ce travail, l'étude aérothermique d'impact d’un jet plan sur une paroi concave. Les résultats indiquent pour certaines configurations qu'il existe un phénomène instationnaire instable : un battement du jet qui se caractérise par une légère oscillation du jet autour de trois positions semi-stables. Cet écoulement est analysé à partir des champs moyens de vitesse et des valeurs turbulentes obtenues par Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV). Les transferts de chaleur sur la paroi d'impact sont déterminés à partir des mesures de température par thermographie infrarouge. Ce battement du jet entraîne une modification très importante de la structure de l'écoulement et du transfert de chaleur qui sont très différents de ceux observés, dans la littérature, pour le cas d'un impact de jet classique. Dans l'optique d'utiliser ce type de phénomène pour l'optimisation du refroidissement d’une paroi concave, nous nous sommes intéressés à l'influence des conditions aux limites (tabs en entrée ou obturateur en sortie) et des principaux paramètres géométriques et dynamiques (hauteur d’impact, nombre de Reynolds,...).

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

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.

L'ETUDE CONCERNE LA DESCRIPTION DE L'ECOULEMENT DU A PLUSIEURS JETS IMPACTANT UNE PAROI PLANE. LES CONFIGURATIONS ANALYSEES (IMPACTS CONCENTRE OU REPARTI, COLLIERS A DOUCHE) SE RENCONTRENT DANS LES PROBLEMES DE REFROIDISSEMENT DES AUBES DE TURBINES. DES VISUALISATIONS DE L'ECOULEMENT PARIETAL PAR LA METHODE DES ENDUITS ET DES TOMOGRAPHIES LASER ONT REVELE LE CARACTERE CELLULAIRE DE L'ECOULEMENT. L'INTERACTION ENTRE LES JETS DE PAROI DES IMPACTS PROVOQUE DES DECOLLEMENTS QUI DONNENT NAISSANCE A DES STRUCTURES TOURBILLONNAIRES CONTRA-ROTATIVES. CELLES-CI ENTOURENT CHAQUE IMPACT ET GENERENT SUR LA SURFACE IMPACTEE UN RESEAU DE LIGNES DE DECOLLEMENT ET DE RECOLLEMENT. LA DETERMINATION DU COEFFICIENT DE PRESSION PARIETALE (IMPACT REPARTI) A MONTRE QUE LES LIGNES DE RECOLLEMENT CORRESPONDAIENT A DES MAXIMUMS SECONDAIRES DE PRESSION ET LES MAXIMUMS PRINCIPAUX AU CENTRE DES IMPACTS. LE NIVEAU DE PRESSION QUI DEPEND DU NOMBRE DE REYNOLDS, DIMINUE PAR PALIERS LORSQU'ON PASSE D'UNE RANGEE D'IMPACTS A SA SUIVANTE. LES MESURES DE VITESSE PAR L.D.A. (IMPACT REPARTI) ONT PRECISE L'ALLURE DE L'ECOULEMENT DANS DEUX PLANS PERPENDICULAIRES. CES RESULTATS ET CEUX DES VISUALISATIONS PERMETTENT DE PROPOSER UN SCHEMA D'ECOULEMENT VALABLE EGALEMENT POUR LES CONFIGURATIONS D'IMPACT CONCENTRE. L'ENROULEMENT PRINCIPAL ENTOURANT L'AMONT DES JETS S'EPANOUIT SUR LES COTES SUIVANT LA NORMALE A LA SURFACE IMPACTEE. CET EFFET FONTAINE PROVOQUE UN RETOUR DU FLUIDE DE L'IMPACT VERS LE SILLAGE DE L'ORIFICE D'INJECTION DONT IL EST ISSU. LES TOURBILLONS SECONDAIRES QUI SONT A L'ORIGINE DES LIGNES DE RECOLLEMENT ALIMENTENT DES REGIONS DE LA PAROI OU LE COEFFICIENT DE TRANSFERT DE CHALEUR S'AVERE ETRE FAIBLE. POUR LES PREMIERS RANGS D'IMPACTS CES ZONES ONT LA FORME DE BULLES CONSTITUES DE DEUX ENROULEMENTS CONTRA-ROTATIFS D'AXE PERPENDICULAIRE A LA PAROI. UN AUTRE TRAIT ESSENTIEL DE L'ECOULEMENT ETUDIE EST SON CARACTERE FORTEMENT INSTABLE REVELE PAR LES MESURES L.D.A. ET PAR LES TOMOGRAPHIES LASER.

DE NOS JOURS, LE REFROIDISSEMENT PAR IMPACT DE JET EST TRES UTILISE DANS LE MONDE INDUSTRIEL SOUS DES CONTRAINTES GEOMETRIQUES ET AEROTHERMIQUES VARIABLES. CETTE TECHNIQUE PERMET DE TRANSFERER UNE QUANTITE DE CHALEUR IMPORTANTE ET CE SUR UNE ZONE RELATIVEMENT LOCALISEE. L'ETUDE ABORDEE CONCERNE, L'IMPACT D'UN JET PLAN D'AIR EN ESPACE CONFINE SUR UNE PLAQUE PLANE CHAUFFEE A DENSITE DE FLUX INJECTEE CONSTANTE. ELLE A POUR OBJECTIF D'ANALYSER LE ROLE DU CONFINEMENT SUR L'ECOULEMENT ET SUR LE TRANSFERT DE CHALEUR ET NOTAMMENT DE COMPRENDRE LES PHENOMENES TRANSITIONNELS ET OSCILLATOIRES A FAIBLE NOMBRE DE REYNOLDS. POUR CE FAIRE, CETTE ETUDE S'APPUIE SUR UNE PARTIE EXPERIMENTALE IMPORTANTE, MAIS AUSSI SUR UNE APPROCHE THEORIQUE BASEE SUR L'EQUATION D'ORR SOMMERFELD POUR LES MODES INSTABLES, ET L'EQUATION D'AMPLITUDE DE LANDAU POUR LES OSCILLATIONS AUTO-ENTRETENUES. AU COURS DE CES TRAVAUX, UNE COLLABORATION A ETE INITIE ENTRE TROIS LABORATOIRES UNIVERSITAIRES, IMFT (INSTITUT DE MECANIQUE DES FLUIDES DE TOULOUSE), LE LESETH (LABORATOIRE ETUDE DES SYSTEMES ET DE L'ENVIRONNEMENT THERMIQUE DE L'HOMME) ET LE CETHIL (CENTRE DE THERMIQUE DE LYON). CETTE COLLABORATION A PERMIS DE METTRE AU POINT UN DISPOSITIF EXPERIMENTAL AINSI QUE L'UTILISATION DE TECHNIQUES DE MESURE OU/ET DE VISUALISATION PERFECTIONNEES. LE CHAMP DYNAMIQUE A ETE VISUALISE PAR TOMOGRAPHIE LASER A L'AIDE D'UNE CAMERA RAPIDE ET MESURE PAR ANEMOMETRIE FIL CHAUD. LE CHAMP THERMIQUE A ETE CARTOGRAPHIE PAR INTERFEROMETRIE HOLOGRAPHIQUE EN TEMPS REEL ET LES CONDITIONS AUX LIMITES ONT ETE MESUREES PAR THERMOCOUPLES. TROIS CONFIGURATIONS GEOMETRIQUES DE CONFINEMENT ONT ETE PRINCIPALEMENT ETUDIEES (H/E = 2, 4 ET 8) ET CE POUR UNE PLAGE DE NOMBRE DE REYNOLDS, BASE SUR L'EPAISSEUR DE LA FENTE (E), CORRESPONDANT A UN REGIME LAMINAIRE (RE I

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