Caractérisation du refroidissement des parois d’une chambre de combustion par multiperforations avec angle de dérapage
Dans cet article, nous présentons une étude réalisée dans le cadre du projet européen SOPRANO (SOot Processes and Radiation in Aeronautical inNovate combustors) et traitant de l’analyse des écoulements de refroidissement générés dans la zone de dilution au sein d’une chambre de combustion multiperforée avec un angle de giration de 90∘. Ces écoulements dits « films cooling » permettent de protéger les parois de la chambre des hautes températures engendrées par la combustion du kérosène.
A partir d’une maquette échelle 12,5/1, une étude expérimentale aérothermique de l’écoulement généré par l’interaction entre les jets et l’écoulement principal est réalisée. La maquette est une plaque plane multiperforée (angle 30∘, giration 90∘), placée dans une veine rectangulaire. Cette paroi sépare l’écoulement principal (air froid à 21∘C) et l’écoulement secondaire (air chaud à 45∘C) qui alimente les perforations. La géométrie et les conditions de débits permettent de simuler des conditions proches des conditions réelles dans une chambre de combustion d’hélicoptère : nombre de Reynolds de l’écoulement principal ReH=15000 et rapport des flux de quantité de mouvement I=54.
Différents moyens de mesures sont mis en œuvre afin de réaliser la caractérisation aérothermique de cet écoulement. Le champ aérodynamique est acquis par un système PIV 2D-3C. Monté sur un système de déplacement, il permet de réaliser une exploration globale de la zone d’interaction. En complément, la température de l’écoulement est obtenue par un système de thermométrie à fil froid, qui permet une exploration localisée autour de quelques orifices. Les échanges thermiques pariétaux sont caractérisés à partir de la mesure directe de la température sur les deux faces de la paroi multiperforée par un système de thermographie infrarouge. Afin d’identifier le coefficient d’échange pariétal, la paroi est chauffée par une peinture conductrice alimentée par un générateur électrique. Les températures de surface sont acquises en conditions stationnaires pour plusieurs niveaux de puissance de chauffage, ce qui permet d’évaluer le coefficient d’échange et la température adiabatique par régression linéaire.
D’un point de vue numérique, la configuration est étudiée à l’aide du solveur non structuré CEDRE de l’ONERA. La turbulence est modélisée à l’aide du modèle classique k-w SST de Menter, et deux calculs (un adiabatique et un isotherme) sont effectués afin d’estimer les grandeurs comparables aux mesures.
Une comparaison systématique est réalisée entre les bases de données expérimentale et numérique. Ainsi, les résultats PIV/CFD confirment le caractère 3D de l’écoulement. En effet, la configuration plane de la maquette induit une importante perturbation de l’écoulement en aval en raison de l’impact des jets secondaires sur une paroi latérale. Même si cet écoulement diffère de celui rencontré dans les chambres de combustion, qui sont le plus souvent annulaires, cette étude permet de mieux appréhender l’interaction entre les jets et le courant principal, pour une injection latérale à 90∘. Les flux issus des différents trous interagissent pour créer un film de protection selon un motif complexe, révélé par la carte des coefficients de transfert de chaleur par convection. La concordance entre les résultats expérimentaux et les résultats CFD est jugée satisfaisante.