Participation à la Journée sft du 15 Mars 2007

Résumés de la Journée SFT du 15 Mars 2007

Récapitulatif des participants
Techniques de refroidissement dans les turbomachines modernes : grands enjeux, programmes de recherche, perspectives

Emmanuel Laroche

ONERA Chatillon
Etude expérimentale et numérique des phénomènes thermiques lors du stockage d’hydrogène dans les matériaux réversibles

Ph. Marty (LEGI), K. Hassouni (CNRS-Paris XIII), P. de Rango & D. Fruchart (CRETA & Laboratoire de Cristallographie, Grenoble), S. Chaudourne (CEA Grenoble), M. Latroche (CNRS-Thiais)

Contrôle passif des jets par des buses de soufflage à géométries complexes

Amina Meslem, I. Nastase

LEPTAB, Université de La Rochelle, Pôle Sciences et Technologie
Etude de l'aérothermique transitoire d'un impact de jet sur une paroi chaude dans un écoulement transverse confiné.

David Donjat, Emmanuel Radenac, Philippe Reulet, Jérémie Gressier, Pierre Millan

ONERA Toulouse
Irréversibilités et production d’entropie dans un écoulement sous fortes contraintes

Régis Olivès

PROMES-CNRS, Tecnosud, 66100 Perpignan
Interaction entre une flamme et une paroi : problématique de la mesure de vitesse

B. Tayebi, C. Galizzi et D. Escudié

CETHIL (UMR 5008 CNRS – INSA – UCBL) - INSA de Lyon
Heat transfer and flow fiels investigation in rib-roughened trailing edge channel with crossing jets

Filippo Coletti, Tony Arts (von Karman Institute, Rhode Saint-Genèse, Belgium)

Benoît Verniquet ,Thomas Chrzastek, Patrice Eneau (Snecma Groupe Safran, Villaroche, France)
Modélisation aérothermique des machines tournantes. Application à un moteur de traction ferroviaire

Aurélie Fasquelle, Souad Harmand, Julien Pellé

LME, Université de Valenciennes
Convection mixte dans un canal horizontal soumis à un gradient horizontal de température

C. Abid, F. Koffi et M. Médale

Polytech'Marseille, Laboratoire IUSTI, Université de Provence, Marseille.
Influence des instabilités sur le transfert de chaleur à la paroi en aval d'une jonction en T

François Penot, Alexandre de Tilly

LET, LET – ENSMA, Poitiers

Techniques de refroidissement dans les turbomachines modernes : grands enjeux, programmes de recherche, perspectives
Emmanuel Laroche

ONERA Chatillon

L'exposé présentera une synthèse des techniques de refroidissement utilisées dans les turboréacteurs modernes. Les challenges techniques seront explicités, ainsi que les problèmes scientifiques auxquels ils correspondent.

Un aperçu des recherches en cours sera donné, ainsi que les perspectives d'amélioration telles qu'elles se dessinent actuellement.

Etude expérimentale et numérique des phénomènes thermiques lors du stockage d’hydrogène dans les matériaux réversibles
Ph. Marty (LEGI), K. Hassouni (CNRS-Paris XIII), P. de Rango & D. Fruchart (CRETA & Laboratoire de Cristallographie, Grenoble), S. Chaudourne (CEA Grenoble), M. Latroche (CNRS-Thiais)
Les matériaux carbonés et les hydrures métalliques sont considérés comme des candidats potentiellement intéressants pour procéder au stockage réversible d’hydrogène afin d’alimenter une pile à combustible ou tout autre dispositif utilisant ce gaz. L’adsorption (physisorption) est le mécanisme qui prévaut dans les milieux carbonés tandis que l’absorption (ou chimisorption) est celui qui intervient dans les hydrures. Leurs performances en terme de masse d’hydrogène stockée rapportée à la masse de poudre sont modestes pour les premiers et bonnes pour les autres mais dans tous les cas la cinétique de charge/décharge dépend fortement de la température. Le contrôle des transferts thermiques durant le fonctionnement d’un réservoir de stockage d’hydrogène est donc primordial. Nous décrirons un ensemble de travaux récents sur ce sujet. Sur le plan expérimental, nous citerons des travaux en cours au laboratoire de Villetaneuse à Paris XIII sur les matériaux carbonés ainsi que des expériences faites à Grenoble sur le LaNi5 ou le magnésium. Dans tous les cas, une modélisation numérique est proposée pour améliorer la compréhension des phénomènes thermiques et chimiques associés à ces travaux.

Contrôle passif des jets par des buses de soufflage à géométries complexes

A. MESLEM, I. NASTASE

LEPTAB. Université de La Rochelle. Avenue Michel Crépeau 17042 La Rochelle - Cedex 01 –

Tél.: [phone] Fax: [phone]

Email: [e-mail]

Le contrôle passif de l’auto-induction des jets turbulents représente un moyen de mélange peu coûteux qui intéresse un large domaine industriel. Il est montré par une étude expérimentale, qu’une buse lobée droite de laquelle est issu un jet d’air turbulent, permet une amélioration du mélange par rapport à un jet circulaire de référence. Une seconde buse lobée de même plan de soufflage ayant des inclinaisons des lobes vers l’extérieur et des creux vers l’intérieur de l’écoulement, intensifie de façon considérable l’auto-induction du jet qui atteint jusqu’à quatre fois celle du jet circulaire de référence.
L’analyse de la dynamique tourbillonnaire des écoulements, montre que les structures azimutales des jets lobés ne sont pas annulaires comme dans un jet circulaire et ce, en raison du cisaillement de l’écoulement transversal généré par la variation du rayon de courbure du plan de soufflage. Ce type de structures s’organisent en segments d’anneaux indépendants de fréquences de détachements différentes dans les creux et dans les lobes. Il s’en suit un épanouissement des structures longitudinales aux points de discontinuités qui ne sont guère atténuées par le passage des structures azimutales. Connaissant le rôle de transport de la quantité de mouvement et d’auto-induction des structures longitudinales, cette différence avec le jet circulaire dans lequel les anneaux azimutaux atténuent à leur passage les vortex longitudinaux qui naissent dans le « braid », explique probablement le gain d’induction observé dans le jet lobé droit.
Le jet lobé issu de la buse à frontière inclinée, présente comme le précédent des structures azimutales discontinues mais le gain d’induction important qui le caractérise n’est pas dû uniquement à ce phénomène. Ce jet présente une épaisseur de la quantité de mouvement très supérieure et est le siège d’un plus fort cisaillement de l’écoulement transversal. Il en résulte un champ de la vorticité longitudinale instantanée organisé en paires de structures contre rotatives de grande échelle, trouvé parfaitement corrélé au champ de cisaillement transversal instantané. Ceci permet d’avancer, que l’intensification et l’organisation du champ de vorticité longitudinale dans ce jet, est dû à l’accroissement du cisaillement provoqué par l’inclinaison des lobes et des creux de la buse, conduisant à une intensification conséquente du mélange.

Mots clés : Contrôle passif, performance de mélange, Vortex
Etude de l'aérothermique transitoire d'un impact de jet

sur une paroi chaude dans un écoulement transverse confiné.
David Donjat, Emmanuel Radenac, Philippe Reulet,

Jérémie Gressier et Pierre Millan

Cette étude s'inscrit dans le cadre du projet ATRAN (Aérothermique TRANsitoire) qui vise à obtenir une base de données expérimentale dans le but de valider des outils numériques efficaces développés dans la plateforme de calcul CEDRE pour le problème du transfert de chaleur conjugué entre fluide et matériau.

Une des expériences retenues modélise le refroidissement d'un carter moteur par ventilation dédié et consiste en une plaque plane épaisse, chauffée en face arrière à température constante (325 K), et refroidie en face avant par un jet transitoire en écoulement transverse confiné. Cette expérience est réalisée en soufflerie où l'écoulement de la veine, de vitesse constante et égale à 5 m/s, joue le rôle de l'écoulement transverse. Un jet souffle alors orthogonalement à cet écoulement et vient impacter directement la plaque chauffée. Le diamètre de ce jet ainsi que sa position sont définis afin de respecter les critères de similitude. L'étude aérothermique transitoire est alors réalisée en faisant varier linéairement dans le temps le débit du jet entre deux valeurs extrêmes définies préalablement et qui permettent toutes deux une trace thermique sur la plaque. Cette évolution en débit est bien maîtrisée et peut être réitérée un grand nombre de fois. Le matériau constituant la plaque est une vitrocéramique homogène dont la conductivité permet une grande amplitude de variations de températures à l'interface pour la gamme de débit de jet considérée.

Différents moyens de mesure (PIV, LDA, thermocouples et thermographie infrarouge) sont utilisés. Les mesures effectuées permettent tout d'abord de caractériser l'aérothermique du système dans des conditions stationnaires qui correspondent aux deux débits de jet extrêmes. Les mesures sont ensuite réalisées en moyenne de phase sur un grand nombre de cycles complets afin de quantifier les effets transitoires induits sur la dynamique de l'écoulement ainsi que sur l'impact thermique au niveau de la plaque chauffée (mesuré par thermographie infrarouge).

Ces mesures sont alors utilisées d'une part, pour déterminer les conditions aux limites nécessaires à une simulation numérique instationnaire et d'une part, pour élaborer une base de données en vue d'analyses physiques et de comparaisons.

Irréversibilités et production d’entropie dans un écoulement sous fortes contraintes
Régis Olivès

PROMES-CNRS

Tecnosud

66100 Perpignan

Dans le cas de l’écoulement au sein d’un échangeur, les phénomènes de dissipation sont liés au transfert de chaleur et aux frottements visqueux. L’analyse entropique permet tout naturellement de les coupler. La connaissance et la minimisation de ces irréversibilités contribuent au contrôle optimal des transferts dans le système. Compte tenu de l’écriture du terme de production d’entropie, il est possible d’obtenir sa répartition spatiale par post-processing. En effet, le calcul de ce terme requiert les gradients de température et de vitesse, disponibles après résolution des équations. Les calculs montrent que, dans un écoulement, la répartition de la production d’entropie n’est pas uniforme. Les irréversibilités et donc la dissipation sont principalement localisées dans la couche limite. Les lois de paroi sont alors nécessairement, très fortement corrélées à la production d’entropie. Dans certaines configurations, on constate même que les fluctuations sont plutôt actives dans les zones de recirculation. Enfin, lorsque la contrainte imposée (gradient de température ou de pression) est suffisamment forte, le fluide peut adopter un comportement non-stationnaire. Le lien entre les irréversibilités et l’apparition d’instationnarités n’est pas encore bien établi mais semble réellement effectif. On montre, ainsi, par quelques exemples, que l’analyse entropique permet de mettre en relief spatialement et temporellement les dissipations thermique et visqueuse, phénomènes qui conditionnent fortement les transferts convectifs.


Interaction entre une flamme et une paroi :

problématique de la mesure de vitesse

B. Tayebi, C. Galizzi et D. Escudié

CETHIL (UMR 5008 CNRS – INSA – UCBL)

INSA de Lyon – Bâtiment Sadi Carnot

9, rue de la Physique – 69621 Villeurbanne Cedex

Dans l’ensemble des secteurs utilisant des foyers de combustion, la mise en place de normes environnementales de plus en plus sévères a obligé les industriels à s’intéresser à des problématiques souvent négligées. Par exemple, pour le secteur automobile, dans un contexte de configurations de plus en plus confinées (downsizing), l’influence des parois ne peut être ignorée. La présence d’une paroi provoque en effet l’apparition d’un grand nombre d’effets spécifiques qui perturbent la combustion, et peuvent donc être responsables d’une quantité significative de polluants émis. Plus spécifiquement, la paroi, en fonction de ses caractéristiques (nature, état de surface), modifie fortement le couplage entre les différents phénomènes aérothermochimiques. Il est donc important de mieux comprendre la corrélation entre la flamme et le flux de chaleur à la paroi en fonction de la nature du champ aérodynamique (couche limite laminaire ou turbulente par exemple).

Concernant la caractérisation du champ aérodynamique, les deux techniques classiques sont utilisées : Laser Doppler Anemometry et Particle Image Velocimetry. L’objectif est de mesurer les vitesses dans les gaz brûlés et les gaz frais, ainsi qu’en proche paroi.

La mesure de vitesses dans un milieu réactif pose un ensemble de problèmes aujourd’hui bien identifiés mais qui nécessitent toujours une attention particulière. Il s’agit notamment de la question de l’ensemencement avec le choix de particules possédant une très bonne tenue en température. Dans notre configuration, où une flamme oblique est utilisée, la déviation spécifique des lignes de courant vers l’extérieur du front, vers les gaz frais, limite la quantité de particules dans les gaz brûlés. Dans le cas des images PIV, cette situation pose un problème sensible de traitement à l’interface entre les deux zones, qui correspond justement au front de flamme. En proche paroi, il est nécessaire de traiter trois problèmes principaux : là encore, la faible quantité de particules, les réflexions sur la parois et le biais introduit si le volume de mesure est coupé par cette paroi. Plusieurs voies sont actuellement utilisées pour améliorer chacun de ces aspects.

HEAT TRANSFER AND FLOW FIELD INVESTIGATION

IN RIB-ROUGHENED TRAILING EDGE CHANNEL

WITH CROSSING JETS

Filippo Coletti, Tony Arts (von Karman Institute, Rhode Saint-Genèse, Belgium)

Benoît Verniquet ,Thomas Chrzastek, , Patrice Eneau (Snecma Groupe Safran, Villaroche, France)
The objective of the present research is to investigate the heat transfer and the flow field within a trailing edge internal cooling channel with crossing jets. One of the walls of the channel is equipped with inclined ribs. Particular attention is therefore devoted to investigate the combined effect of two phenomena: forced convection (provided by the ribs) and impingement (provided by the cross-over jets). A scaled-up model of the channel has been designed and manufactured. It presents two rows of slots on two opposite sides. The coolant enters from one side, through the crossing jet slots, and exits on the opposite side, through the trailing edge slots.
The channel with and without ribs has been characterized with respect to Reynolds number and pressure drop, using pressure taps, Pitot tubes, and a hot wire. The flow field has been investigated using streamline-surface flow-visualization techniques, i.e. ink dots tracers and wool tufts. The heat transfer coefficient on the wall has been investigated with and without ribs. For this purpose, the wall temperature has been measured using thermocromic liquid crystals. The averaged heat transfer has also been evaluated on the ribs, with the aid of an instrumented copper obstacle.
Calculations have been performed on the same geometry with the unstructured hybrid Navier-Stokes solver “Cedre”, developed at ONERA. This parallel effort has allowed a better understanding of the flowfield to optimize PIV measurements that are performed on the same model.