Etude et modélisation de l'hydrodynamique interne d'un injecteur mécanique de turboréacteur Donjat, David 2003-06-26 Ecole Nationale Supérieure de l'Aéronautique et de l'Espace

Directeur(s) de thèse:  Estivalezes, Jean-Luc Laboratoire :  Département Modèles pour l’Aérodynamique et l’Energétique -DMAE (depuis 1997) Ecole doctorale :  Energétique et dynamique des fluides Classification : Sciences de l'ingénieur

Accès :  Texte intégral Mots-clés : Système d'injection, Injecteur à effet de pression de type tourbillonnaire, Vortex de Rankine, Instabilités hydrodynamiques, LDA, PIV, Fluent Résumé : Avec les nouveaux enjeux en matière de pollution et de gain de puissance des turbomachines modernes, il est aujourd’hui nécessaire de maîtriser de façon optimale la combustion du carburant. Les nouvelles performances recherchées imposent donc aux motoristes un cahier des charges strict sur les systèmes d'injection. C’est dans le but d’optimiser le développement des systèmes d’injection à effet de pression de type tourbillonnaire double-débit utilisés dans les chambres de moteurs aéronautiques qu’un banc expérimental reproduisant, à grande échelle, les différents circuits constitutifs d’un tel injecteur a été mis en place à l'ONERA Centre de Toulouse. Une campagne d’essais a été effectuée afin de fournir une banque de données permettant une meilleure compréhension de la structure de l'écoulement interne d’un injecteur tourbillonnaire et de son influence sur l'atomisation du jet en sortie d’orifice. Les maquettes développées sont réalisées entièrement en matériau transparent, et sont constituées de différents modules interchangeables afin d’explorer plusieurs géométries. Des campagnes de mesure par fluorescence laser, par LDA et par PIV ont founi une cartographie de l'écoulement interne révélant une architecture complexe fortement instationnaire. Schématiquement, le liquide à pulvériser entre dans une chambre dite à swirl via plusieurs fentes placées tangentiellement. L'application d’un important mouvement tourbillonnaire induit une structure de l'écoulement de type vortex de Rankine et se caractérise aussi par la formation d’une colonne d’air tout le long de l’axe. Par ailleurs, les instabilités de ce noyau d’air central ont pu être caractérisées : le caractère instationnaire des jets d'alimentation a une importance essentielle sur les origines des instabilités se propageant dans l'injecteur. En parallèle, ces données ont été exploitées avec l'objectif de valider un modèle 2D axisymétrique et un modèle 3D réalisés avec les logiciels Fluent 5.7 et 6 suivant une méthode diphasique VOF d’ordre 2 avec reconstruction d'interface. Résumé (anglais) : Recent advances in aeroengine design tend to control an optimal combustion of the fuel. The new required performances need an optimisation of injection systems. In this way, an experimental set-up was developed in the ONERA Centre de Toulouse to study the influence of the internal geometry of a pressure swirl atomiser on the spray characteristics. These experiments are conducted using optical methods with a large-scale prototype pressure swirl nozzle made up of Plexiglas. The injector consists of several interchangeable parts, which can be easily removable in order to simulate the effects of geometry on the internal flow. Visualisation techniques associated with fluorescent dye, LDA and PIV are used in order to get information on the structure of the inner flow pattern. In the same way, the characterisation of the aircore unsteadiness is performed with a laser diffusion method. These seem to be influenced by both the geometry of inlet slots and exit orifice dimensions and may play a role during the external conical liquid sheet disintegration. In parallel, both 2D and 3D unsteady numerical simulations are conducted for the same configurations. It is performed with commercial CFD softwares Fluent 5.7 and 6. An accurate Volume of Fluid (VOF) method is selected to capture the formation of the air-core in the nozzle. Langue : Français

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