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L’ÉCOULEMENT AUTOUR D’UNE PAROI MULTI-PERFORÉE McGovern & Leylek (2000) pour une rangée. Notons également que l’efficacité du refroidissement n’est pas la seule raison pour laquelle les perforations avec angle β sont utilisées. Les motoristes se servent parfois de cette inclinaison pour donner un mouvement giratoire à l’écoulement et ainsi augmenter le mélange à l’intérieur de la chambre de combustion. La dépendance de l’efficacité de refroidissement aux paramètres géométriques permet de dégager un certain consensus autour de la géométrie d’une paroi multi-perforée. Ces tendances sont résumées dans le tableau 2.1, qui répertorie les consignes déduites des résultats présentés plus haut, et les problèmes limitant l’optimisation des paramètres géométriques. Paramètre Consignes Facteurs limitants Pratique Nombre de rangées Le plus élevé possible Solidité mécanique Dépend de la place disponible Arrangement Quinconce Quinconce Diamètre Faible Difficulté de perçage Trous pouvant se boucher Perte de charge d ≈ 0.5 mm Espacement longitudinal Faible Solidité mécanique 5 ≤ X/d ≤ 8 Espacement transverse Faible Solidité mécanique 5 ≤ X/d ≤ 8 Angle α Le plus faible Solidité mécanique possible Perte de charge α ≈ 30 ◦ Angle β Dépend de la 0 ◦ < β < 90 ◦ ou configuration suivant les cas TAB. 2.1 - Règles de conception déduites des études sur l’efficacité de refroidissement (consignes). Rappel des facteurs limitant l’application des consignes. Valeurs rencontrées dans les chambres de combustion aéronautiques (Pratique). Avant de détailler l’influence des paramètres aérodynamiques sur l’efficacité du refroidissement, il convient de donner quelques éléments sur l’influence de la forme des perforations. Les études sur la forme des perforations sont relativement nombreuses, en particulier en ce qui concerne le refroidissement des aubes de turbine, pour lesquelles la taille des perforations, plus importante, laisse plus de marge de manoeuvre pour la conception. De manière générale, il a été constaté que des perforations évasées à la sortie permettent de diminuer la pénétration du jet et d’augmenter son expansion latérale (Hyams & Leylek, 2000; Renze et al., 2007). La vitesse étant diminuée à la sortie des perforations, le taux de soufflage et le rapport de flux de quantité de mouvement sont plus faibles que pour des perforations cylindriques. Bogard & Thole (2006) répertorient plusieurs travaux consacrés aux perforations évasées en sortie. Toutefois, le coût de fabrication de telles perforations est élevé et les constructeurs se contentent souvent de trous cylindriques. Dans le cadre du refroidissement des parois de la chambre de combustion, le contexte est différent : à cause du mode de perçage (effectué actuellement par une technique de laser), les perforations sont plutôt coniques que cylindriques, et très irrégulières. L’effet de la forme réelle des perforations sur le refroidissement est inconnu, mais les études sur le sujet commencent à voir le jour (Jovanovic et al., 2006). C’est aussi ce qui a motivé récemment des études de refroidissement sur des échantillons réels directement fournis par SNECMA, comme dans la thèse de Rouvreau (2001), ou sur 44
2.3 La multi-perforation : aspects thermiques l’effet de la conicité, comme dans celle de Most (2007) à Turbomeca (voir l’étude de l’influence de la conicité sur la trajectoire des jets par Most & Bruel, 2007). Dans notre étude, les perforations sont considérées comme étant parfaitement cylindriques. Influence des paramètres aérodynamiques sur la qualité du refroidissement par multi-perforation Les paramètres les plus caractéristiques de l’écoulement côté chaud sont les paramètres d’injection : le taux de soufflage τ 1 (équation 2.2) et le rapport des flux de quantité de mouvement τ 2 (équation 2.3). Dans tous les travaux consacrés à la multi-perforation ou au refroidissement par film, la dépendance du refroidissement à ces paramètres d’injection, et surtout au taux de soufflage, est étudiée. Tous les auteurs constatent l’existence d’un taux de soufflage optimal, qui dépend de la configuration. Ainsi, pour un petit nombre de rangées (typiquement, moins de 7), c’est plutôt un taux de soufflage faible, de l’ordre de 0.5, qui donne un refroidissement optimal (Martiny et al., 1995). C’est ce que constatent aussi Goldstein et al. (1968) pour un trou isolé. Les différents auteurs constatent une amélioration de la qualité du refroidissement jusqu’à τ 1 = 0.5, puis une chute au-delà. Ils interprètent ce résultat comme étant dû au décollement du jet à la sortie des perforations : au-delà de τ 1 = 0.5, les jets sont trop forts pour rester attachés à la paroi. Ils pénètrent plus dans l’écoulement principal, où ils sont mélangés sans parvenir à refroidir la paroi. Toutefois, ce résultat n’est pas universel. Dans une configuration avec plus de rangées, Mayle & Camarata (1975) constatent que le refroidissement optimal est obtenu pour un taux de soufflage d’environ 1.5 après une quinzaine de rangées. Alors que l’efficacité de refroidissement stagne avec le nombre de rangées pour τ 1 = 0.5, elle continue d’augmenter pour des taux de soufflage plus importants. A des taux de soufflage faibles, le film de protection à la paroi n’est que l’empilement de jets successifs, ce qui explique la stagnation d’efficacité observée après quelques rangées. Des taux de soufflage importants semblent former des films de refroidissement plus robustes. Ainsi, les résultats de Mayle & Camarata (1975) montrent que la différence entre l’efficacité de refroidissement à la fin de la zone perforée et 70d en aval est beaucoup moins importante à τ 1 = 2 qu’à τ 1 = 1.5. De manière générale, on constate que la valeur du taux de soufflage optimal augmente avec le nombre de rangées. Ainsi, pour son échantillon de 34 rangées, Rouvreau (2001) constate de très bonnes efficacités de refroidissement pour des taux de soufflage élevés, jusqu’à 5.5. L’influence du rapport des flux de quantité de mouvement τ 2 a rarement été étudiée indépendamment de τ 1 . Rouvreau (2001) montre que pour une plaque de 34 rangées, à τ 1 constant, l’efficacité de refroidissement diminue quand τ 2 augmente. Ce résultat peut être également interprété en termes de rapport de densité puisque : ρ 2 = τ 1 2 (2.9) ρ 1 τ 2 Rouvreau (2001) retrouve ainsi les tendances observées pour une rangée de perforations par Sinha, Bogard & Crawford (1991), qui montrent qu’à taux de soufflage égal à 1, l’efficacité de refroidissement augmente avec le rapport des densités. Au final, les données disponibles dans la littérature tendent à prouver qu’il n’y a pas de paramètre aérodynamique d’injection qui permette de décrire complètement l’écoulement indépendamment des autres, dans toutes les situations. L’influence des autres caractéristiques de l’écoulement principal chaud sur le refroidissement a aussi 45
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Region total plate hole solid wall
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