Analyse d’une configuration supersonique
6.1.4 Campagnes de mesures réalisées
Afin d’aborder l’analyse du champ de pression proche d’un jet en configuration superso-nique, une base de données complète a été créée. Les moyens métrologiques précédemment exposés sont mis en œuvre. Les grandeurs physiques auxquelles on s’intéresse sont :
– Vitesses moyennes U et instationnaires u′;
– Corrélation linéique pression-pression en champ proche Rpp(x) ;
– Corrélation azimutale pression-pression en champ proche Rpp(∆θ) ;
– Gradient instantané de pression en champ proche ∂p/∂n ;
– Corrélation linéique vitesse-pression en champ proche Rup(x).
Les campagnes de mesures réalisées sont résumées dans le tableau6.4. La constitution de cette base de données a été financée par le CNES (ONERA-AEID S-10.933 DARRAG). Elle représente quelques 75Go de données brutes et a nécessité 400 minutes de tir.
Configuration Nom Grandeurs Buts Sonde Triple V1 (6.1.4.a)
U
Qualification de la tuyère (§6.2.1) Sonde Triple V2 (6.1.4.a)
U
Qualification jet (§6.2.2.a) Sonde Triple V3 (6.1.4.a)
U
Qualification jet et validation LDV (§6.2.2) Pression Grande
Antenne
Pga (6.1.4.c) σp
Qualification jet (§6.2.4), POD (§6.4), Kir-chhoff (6.5) Pression Antenne Droite Pad (6.1.4.d) Rpp(x) POD (§6.4) Pression Antenne Inclinée Pai (6.1.4.e) Rpp(x)
POD (§6.4), interaction (§6.3), séparation (6.4.3)
Pression surface conique
Pcn (6.1.4.f)
Rpp(∆θ)
POD (§6.4), séparation (6.4.3), estimation vitesse (6.6) Pression surface cylindrique Pcl (6.1.4.g) Rpp(∆θ), ∂p/∂n POD (§6.4), kirchhoff (6.5) Antenne inclinée - LDV Vp (6.1.4.b) u′, Rup(x)
qualification jet (6.2.3), estimation vitesse (6.6)
TAB. 6.4 – Récapitulatif des expériences réalisées sur le jet supersonique
6.1.4.a Vitesses stationnaires : Sonde triple
Les premières séries de mesures réalisées sur le jet supersonique sont des mesures de vi-tesses stationnaires. Celles-ci sont utilisées pour :
1. Vérifier le point de fonctionnement de l’écoulement en régime adapté ;
2. Vérifier le bon alignement des systèmes de déplacement avec l’axe du jet ;
3. Qualifier le champ de vitesse moyenne du jet et vérifier son homogénéité azimutale ;
4. Valider les mesures instationnaires réalisées par vélocimétrie laser à effet Doppler.
Plusieurs séries de mesures sont réalisées avec la sonde triple présentée au paragraphe6.1.3.a:
V1 : Point de fonctionnement tuyère Dans un premier temps, la sonde triple est placée à 8 mm de la section de sortie de la tuyère, la sonde de pression statique se trouvant en son centre, afin de comparer la pression statique de sortie avec la pression atmosphérique en fonction des conditions génératrices.
V2 : Homogénéité Afin de vérifier l’axisymétrie du jet ainsi que l’alignement du système de déplacement, des mesures sont réalisées en deux sections transversales de positions lon-gitudinales différentes. Un maillage de 872 points de mesures, répartis en 15 profils, a été
réalisé en x/D=3,0. Équidistants de 3 mm, l’ensemble de point décrit un disque de rayon r/D=1 (deux fois plus large que le jet en cette position). Une seconde section normale a été explorée en x/D=6. Deux profils de 33 points régulièrement répartis sont réalisés aux positions z/D=±0,5, traversant l’écoulement sur une distance de y/D=±2.
V3 : Champs de vitesse moyenne Pour qualifier l’écoulement et valider les mesures LDV, 10 profils sont réalisés de x/D=1 à x/D=10. L’étendue des profils augmente linéairement de y/D=±0,72 à y/D=±1,9 afin de suivre l’expansion du jet. La répartition des points est constante pour chaque profil et augmente avec la position x de ∆y=2 mm à ∆y=5 mm.
6.1.4.b Vitesses instationnaires : Vélocimétrie à effet Doppler (Vp) Ces mesures ont deux buts :
1. Qualifier les champs turbulents de vitesse du jet ;
2. Déterminer les niveaux de corrélation pression champ proche-vitesse.
Pour se faire, les vitesses instantanées longitudinales et radiales ont été mesurées par vélo-cimétrie à effet Doppler sur 11 demi-profils, régulièrement espacés de ∆x=1D entre x/D=1 et x/D=5, puis espacés de ∆x=0,5D entre x/D=5 et x/D=8. Les profils sont constitués de 31 points de mesures de séparation radiale r/D constante. L’étendue des demi-profils croît li-néairement avec l’éloignement de la section d’éjection, de r/D=0,72 en x/D=1, à r/D=1,2 en x/D=10.
Afin de permettre la détermination des corrélations pression champ proche-vitesse, des me-sures acoustiques sont réalisées systématiquement et simultanément aux meme-sures de vitesses. L’antenne courte inclinée décrite en §6.1.4.eest utilisée en position radiale r/D=0,8.
Cette position a été déterminée par une série de mesures préliminaires. Les corrélations pression-vitesse ont été mesurées pour un point de mesure LDV situé sur le côté haute vitesse de la couche de mélange en x/D=4 (correspondant à la position du maximum de corrélation en configuration subsonique). Pour des positions d’antenne allant de r/D=0,8 à r/D=1,4, ces corrélations ce sont révélées être maximales pour la position la plus proche de l’écoulement.
6.1.4.c Acoustique : Champ semi-lointain (Pga)
Afin de permettre la qualification acoustique du jet, des mesures acoustiques sont réalisées en champ lointain. Ces données seront utilisées pour :
1. La qualification acoustique du jet ;
2. L’analyse POD du champ de pression semi-lointain du jet supersonique ;
3. La vérification des résultats de propagation de la pression champ proche par la formula-tion de Kirchhoff.
Ces mesures sont réalisées avec la grande antenne linéique de 2 m. Elle est positionnée de manière à couvrir la zone x/D=[-10 : 30] (fig. 6.6(a)). Une série de 15 positions radiales est explorée allant de r/D=7 à r/D=40 (fig.6.6(b)).
6.1.4.d Acoustique : Champ proche, antenne droite (Pad)
Des mesures sont réalisées avec l’antenne courte placée parallèlement à l’axe du jet (fig6.7(a)). Elles seront utilisées pour :
1. La qualification du champ de pression proche en terme de niveau de pression ;
(a) Dispositif expérimental x=D r =D 30 20 10 0 -10 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
(b) Maillage des points de mesure
FIG. 6.6 – Dispositif expérimental et points de mesures en champ semi-lointain par grande antenne
Deux séries de mesures sont effectuées (fig.6.7(b)) :
– en amont de la section d’éjection : x/D=[-7 : 1], r/D=[3 : 7] ;
– en aval de la section d’éjection : x/D=[1 : 9]), r/D=[2 : 7].
Les positions les plus éloignées (r/D=7) permettent le recouvrement des données avec les mesures en champ semi-lointain.
(a) Dispositif expérimental
x=D r =D 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 8 7 6 5 4 3 2 1 0
(b) Maillage des points de mesure
FIG. 6.7 – Dispositif expérimental et points de mesures champ proche en configuration d’an-tenne courte droite
6.1.4.e Acoustique : Champ proche, antenne inclinée (Pai)
L’antenne courte est également utilisée en configuration inclinée. Elle forme un angle de 9˚ avec l’axe du jet de manière à en suivre l’expansion et à pouvoir être placée au plus près de la zone de mélange (fig.6.8(a)). Ces donnés seront utilisées pour :
1. L’analyse POD du champ proche ;
2. La validation de la séparation hydrodynamique/acoustique par la POD en configuration supersonique ;
3. La validation du modéle d’interaction hydrodynamique/acoustique en configuration su-personique.
L’antenne inclinée couvre la zone x/D=[1 : 8,5]. Plusieurs positions radiales sont réalisées. Repérées par la position r1/D du premier microphonemes (x1/D=1), celles-ci vont de r1/D=4 à r1/D=1, par pas de ∆r/D=0,5, plus la position r1/D=0,8 (fig.6.8(b)). Cette derniére position correspond à la position pour laquelle sont réalisées les mesures LDV de vitesse.
(a) Dispositif expérimental
x=D r =D 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 6 5 4 3 2 1 0
(b) Maillage des points de mesure
FIG. 6.8 – Dispositif expérimental et points de mesures champ proche en configuration d’an-tenne courte inclinée
6.1.4.f Acoustique : Champ proche, conique (Pcn)
Tel que cela a pu être fait dans le cadre de la configuration subsonique, des mesures de pres-sion sont réalisées sur une surface de forme conique, entourant le jet. Celles-ci seront utilisées pour la prise en compte des contributions azimutales du champ de pression proche dans :
1. L’analyse POD ;
2. La validation de la séparation hydrodynamique/acoustique par la POD en configuration supersonique ;
3. La validation du modèle d’interaction hydrodynamique/acoustique en configuration su-personique ;
4. L’estimation tridimensionnelle du champ de vitesse.
5. La vérification de la non-influence du bâti supportant les antennes de microphones sur les mesures de pression champ proche ;
L’antenne courte est utilisée en configuration inclinée (9˚ par rapport à l’axe du jet). Elle couvre la zone x/D=[1 : 8,5] pour les positions radiales r/D=0,8 à r/D=2. Cette antenne li-néique est couplée à l’antenne circulaire. Celle-ci est orientée dans un plan normal à l’axe du jet. Elle est placée successivement à la position longitudinale de l’un des microphones de l’an-tenne linéique (de sorte que celui-ci en constitue le 18e microphone nécessaire à la description d’un cercle complet). L’antenne linéique étant inclinée, la position radiale des microphones de la couronne est ajustée pour chaque essai à celle du microphone commun (fig.6.9(a)).
Un total de 13 essais est réalisé pour différentes positions longitudinales de l’antenne circu-laire. Celle-ci est placée aux positions allant de x/D=1 à x/D=3,76 par incrément de ∆x/D=0,39
(microphones 1 à 15, un microphone sur deux), puis aux positions x/D=4,36 à x/D=6,73 par incrément de ∆x/D=0,59 (microphones 18 à 30, un microphone sur trois).
Une série de mesures supplémentaires est réalisée dans cette configuration afin de vérifier la non-influence du bâti sur les mesures de pression champ proche. Pour se faire, les antennes sont non plus fixées au bâti (qui est retiré), mais aux pilônes du hall d’essai (fig.6.9(b)). Cette configuration permet de vérifier la non-influence sur les mesures longitudinales mais également sur les mesures azimutales.
(a) Configuration conique (b) Configuration conique sans le bâti
FIG. 6.9 – Dispositifs expérimentaux de mesures champ proche en configuration conique
6.1.4.g Acoustique : Champ proche, cylindre (Pcl)
Dans cette étude du champ proche, l’estimation du champ de pression acoustique rayonné par le jet est abordée avec une formulation de Kirchhoff (voir2.2.3.b) utilisant ce type de don-nées. Une configuration optimale a été définie pour la mise en œuvre expérimentale de cette technique. Cette étude de faisabilité est détaillée en annexeE. Une base de données expérimen-tales spécifique est donc constituée. Les mesures sont effectuées de manière à pouvoir réaliser une estimation des pressions instantanées sur deux surfaces cylindres concentriques entourant le jet.
Les antennes courte et circulaire sont utilisées pour cette série de mesures. L’antenne li-néique est fixe, placée parallèle à l’axe du jet, couvrant le domaine x/D=[1 : 8,6]. Les 39 micro-phones la constituant sont placés alternativement aux positions radiales r/D=1,7 et r/D=1,9. Le premier microphone, en x/D=1, se situe en r/D=1,7 (fig6.10(b)).
L’antenne circulaire est orientée dans un plan normal à l’écoulement (fig. 6.10(b)). Elle décrit un cercle de rayon r/D=1,7, centré sur l’axe du jet, et est placée successivement face aux mi-crophones de l’antenne linéique de même position radiale couvrant ainsi la zone x/D=[1 : 8,6] par pas de ∆x/D=0,4.
Cette série de mesures a été précédée des mesures nécessaires à la procédure d’estimation stochastique des pressions sur les cylindres (voir 6.5). En effet, les interspectres de pression sont requis aux positions radiales r/D=1,7 et r/D=1,9 de mesures sur l’ensemble du domaine x/D=[1 :8,6]. Pour cela, l’antenne linéique est utilisée, seule, en chacune de ces positions ra-diales. Les 39 microphones sont alignés (i.e. de même position radiale).
(a) Détails de l’antenne linéique (b) Configuration cylindrique
FIG. 6.10 – Dispositif expérimental de mesures champ proche en configuration cylindrique
6.1.5 Synthèse
Pour le passage de cette étude à une configuration supersonique, les installations MARTEL du CEAT de Poitiers ont été exploitées. La configuration JEAN est mise en œuvre (foyer brûleur et bâti) avec une nouvelle tuyère, spécialement conçue au LEA, pour l’obtention d’un jet adapté à température ambiante, de nombre de Mach Mj=1,4.
Des moyens métrologiques importants sont employés, comprenant une sonde triple, un banc de vélocimétrie laser à effet Doppler, ainsi qu’une batterie de microphones comportant jusqu’à 56 microphones en simultané.
Ces moyens de mesures sont utilisés pour générer une base de données complète comptant des mesures de vitesses, stationnaires et instationnaires, ainsi que des mesures acoustiques en champ lointain et de nombreuses mesures de pression en champ proche sur une et deux dimen-sions. Des mesures synchrones de vitesse et pression champ proche sont également réalisées.
L’exploitation de cette base de données est développée dans ce chapitre, en commençant par la qualification de ce nouvel écoulement.