Projet ANR-13-BS09-0007 – REFINE : Effets de gaz réel sur l’injection fluide: étude numérique et expérimentale
Programme : Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédés, Energie (Blanc SIMI 9)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Guillaume RIBERT (COmplexe de Recherche Interprofessionnel en Aérothermochimie)
Partenaires : Complexe de Recherche Interprofessionnel en Aérothermochimie; Groupe de Recherches sur l'Énergétique des Milieux Ionises
Montant : 469909.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 48 mois
Résumé : Effets de gaz réel sur l’injection fluide: étude numérique et expérimentale.Ce projet concerne la thématique de recherche liée à la propulsion dans les secteurs automobile et aérospatial. Le besoin d'une plus grande efficacité énergétique ainsi que des faibles niveaux d'émission conduisent à augmenter la pression, i.e. à atteindre des états supercritiques. L'objectif de REFINE est de construire un banc expérimental bien contrôlé capable d'étudier des injections de fluide sous-, trans- et super-critique et d'y associer des diagnostics expérimentaux et numériques.
Etude des jets sous haute pressionLe mélange est un des plus important phénomène en combustion car il détermine l'efficacité et la stabilité de la combustion en même temps que la caractéristique des transferts thermiques. De plus, la plupart de la compréhension des phénomènes de turbulence et de mélange est issue de résultats expérimentaux ou numériques d'études à basse pression. Un travail similaire doit donc être entrepris pour des écoulements sub-, trans- et super-critique, i.e. avec des effets de gaz réels. En effet ce champ de recherche manque de résultats expérimentaux utiles pour la validation des codes de calcul.  Les simulations numériques ont fait de grands progrès récemment, mais elles manquent de cas-tests de référence. Seuls quelques banc expérimentaux sont capables d'utiliser des fluides supercritiques. Ils sont principalement situés aux USA (Pennsylvania State Univ., Univ. of Florida et AFRL), deux en Allemagne (M51 et P8 au DLR) et un en France à l'ONERA (Mascotte). A part celui de Floride, tous ces bancs sont focalisés sur la combustion ce qui est un phénomène déjà bien complexe en soi. De plus, aucune donnée expérimentale convaincante n'est disponible. L'objectif déclaré de REFINE est remplir ce besoin au moyen d'une expérience la plus simple possible et d'y associer des diagnostics avancées pour délivrer des données les plus justes possibles. Pour atteindre cet objectif, deux laboratoires français, le CORIA - UMR6614 et le GREMI - UMR7344 se sont associés avec l'aide de l'Institut Saint-Louis (ISL). Le projet REFINE devrait fournir une meilleure compréhension de l'atomisation, du mélange et de la dynamique d'un jet sous et supercritique à haute pression. Il est aussi attendu des retombées quant à la modélisation LES (Large-Eddy Simulation).
Les diagnosticsDes diagnostics expérimentaux et numériques vont être considérés dans REFINE avec comme objectif de délivrer une information la plus pertinente possible (vitesse, densité, etc.). Des mesures par rayons X seront réalisés afin d'avoir une donnée expérimentale la moins polluée possible. Des techniques d'ombroscopie, de CBOS (Colored Background Oriented Schlieren) et de simulations numériques (LES) y seront associées.- L'ombroscopie est une technique souvent utilisée pour obtenir des informations qualitatives et quantitatives dans les processus d'injection, comme par exemple l'interaction du jet avec son environnement, lors d'exposition courte.- L'utilisation de la technique des rayons X offre une alternative aux méthodes plus conventionnelles de type LIF, PIV, LDA, etc. qui peuvent être perturbées par un gradient d'indice. Dans REFINE, la mesure par rayon X consiste en une radiographie du jet par absoorption en utilisant une source X dédiée aux applications supercritiques.- La technique CBOS a déjà fait ses preuves dans le cas d'écoulements supersoniques. Elle sera testée dans REFINE pour des écoulements supercritiques. Cette technique est une extension des méthodes Schlieren et permet de visualiser des objets réfringents par distorsion d'un fond coloré.- Des simulations numériques de type LES seront réalisées au même titre que les diagnostics expérimentaux. Le solveur SiTComB sera utilisé. Il s'agit d'un code de calcul structuré avec IBM dédié aux écoulements compressibles multi-espèces (résolution des équations de Navier-Stokes en LES et DNS) de type gaz parfait ou réel.
Résumé de la soumission : Le projet REFINE est dédié l’étude expérimental et numérique du processus d’injection et de mélange de fluide réel sous des conditions thermodynamiques sous-, trans- et super-critiques. Le domaine d’intérêt de cette étude est la science et technologie aérospatiale et automobile où de tels fluides supercritiques sont considérés comme propergols. En effet, l’augmentation de l’efficacité de ces systèmes énergétiques ainsi que la baisse des niveaux d’émission de polluants va résulter d’une augmentation des niveaux de pression et de température permettant ainsi d’atteindre les propriétés supercritiques des fluides. L’objectif du projet REFINE est de construire un banc expérimental simple et bien contrôlé capable d’étudier l’injection d’un fluide sous des conditions sous-, trans- et super-critiques, et d’y associer des diagnostics expérimentaux et numériques afin de fournir à la communauté scientifique une information la plus pertinente possible. Pour ce faire, une injection d’éthane sera réalisée dans une chambre de 5L à haute pression. Le diagnostic par rayon X sera le point clé du projet car il permettra de produire une mesure de la densité dénuée de toute contamination. En effet et contrairement aux techniques laser, une telle mesure n’est pas perturbée par le gradient d’indice présent dans les écoulements à surface plissée. Les techniques plus classiques de Schlieren (CBOS) et d’ombroscopie seront aussi utilisées car elles permettent d’obtenir qualitativement et/ou quantitativement la distribution des gradients de densité. Enfin, des simulations numériques seront réalisées en parallèle des expériences pour l’aide à la compréhension des phénomènes physiques rencontrés ainsi que pour la validation de modèles.
Résultats : Résultats en cours.
Perspectives : A court terme: mise en route du banc REFINE et validation des premiers résultats
Publications et brevets : Une conférence invitée a été donné par G. Ribert lors de la 5ème Ecole de Combustion du Brésil de l'Institut International du Brésil en 2015. Le sujet évoqué était l'étude de l'injection de gaz réel.