Etude expérimentale de l'écoulement et des charges thermiques dans une tuyère dual bell

Experimental study of flow behaviour and thermal loads in dual bell nozzles

• Auteur / Autrice : Chloé Génin
• Direction : Bernard Desmet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique. Énergétique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Valenciennes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérodynamique supersonique

Tuyères

Résumé

Les besoins toujours croissants de l’industrie aérospatiale imposent l’optimisation de tous les sous systèmes du lanceur. Les tuyères sont actuellement le sous-système présentant les possibilités d’optimisation les plus prometteuses. Les tuyères dual bell permettent une adaptation à l’altitude par une simple inflexion du contour. L’écoulement, est forcé à décoller de façon stable et symétrique à l’inflexion, générant ainsi une poussée optimisée à basse altitude. Au cours du vol, lorsque la pression atmosphérique chute sous une certaine valeur, l’écoulement attache soudainement dans toute la tuyère, permettant une détente plus importante pour une poussée plus élevée. Ce nouveau concept de tuyères demande à être compris en détail avant son application éventuelle au moteur principal d’un lanceur. L’étude présentée dans ce document a été réalisée au DLR (centre aérospatial Allemand) de Lampoldshausen dans le cadre d’un travail de thèse. Il s’agit d’une étude fondamentale visant à comprendre le comportement de l’écoulement dans une tuyère dual bell, afin de mettre en évidence les paramètres d’influence. Une série de tests en gaz froid a été réalisée sur différentes géométries de tuyères. Des mesures de pression et une observation de l’écoulement, à l’aide d’une optique de schlieren a permis de conclure sur l’influence de la géométrie sur la transition et sa stabilité face aux variations de pressions et sur le déroulement de la transition d’un mode de fonctionnement à l’autre. Une série de tests en gaz chaud a permis de réaliser des relevés de températures et pression afin d’étudier les charges thermiques dans la paroi au voisinage de l’inflexion.

The increasing needs of the aerospatial industry impose the optimisation of every subsystems of the launcher. Nozzles are currently the sub-system presenting the most promising possibilities. The dual bell nozzles allow the altitude adaptation of the flow through a simple contour inflection. The inflexion forces the flow to a stable and symmetrical separation, generating an optimised thrust for sea level operation. During the flight, when the ambient pressure decreases under a certain value, the flow suddenly attaches the nozzles wall down to the nozzles end, generating a higher expansion for higher performance. Before its possible application to a launcher main engine, this new nozzle concept must be fully understood. The study presented in this document was made at the DLR (German Aerospace Center) in Lampoldshaussen as part of a PhD. This fundamental study has for pbjective the understanding of the flow behaviour in a dual bell nozzle, in order to define the various parameters of influence. A cold flow test series has been conducted on various nozzle geometries. Pessure measurements have been made and the flow has been observed with schlieren optics in order to determine the influence of the geometry on the transition point, the transition duration and its stability toward pressure variations and the evolution of the flow from one operating mode to the other. Temperature and pressure measurements were also made during a test series under warm gas conditions to investigate the thermal load in the vicinity of the wall inflection.