4. Paramètres du procédé & caractérisation des outils
4.3. Description du montage expérimental
4.3.3. Caractérisation du gaz d’assistance
4.3.3.4. Résultats des caractérisations
Les travaux de Fieret et al [42, 43] montrent l’influence de la forme de la buse sur la structure de l’écoulement. Pour chaque buse une structure interne au jet est associée et dépend de la pression statique en réservoir. La structure de l’écoulement est constituée d’ondes de choc stationnaires de 2 types. Des ondes de chocs obliques appelées nœuds de Prandtl sont des structures triangulaires qui sont issues des imperfections de la buse. Des ondes de choc normales appelées disque de Mach sont des structures plates positionnées sur les nœuds de Prandtl. Les disques de Mach sont le résultat d’une détente radiale trop importante. Ils apparaissent dans l’écoulement pour une pression en réservoir supérieure au critère supersonique. L’ensemble de ces travaux et des méthodes utilisées sont repris pour caractériser nos buses. La nature de ces écoulements est plus amplement discutée dans le chapitre 11 Annexe 1 : Etude de l’hydrodynamique du gaz à travers une tuyère de Laval.
4.3.3.4.1. Ecoulement en régime de nœuds de Prandtl
La Figure 4-33 illustre, par strioscopie pour l’une de nos buses, la structure interne à l’écoulement en fonction de la pression en réservoir de 0 à 5,6 bars. La sortie de la buse apparaît en haut de l’image et le sens de l’écoulement est dirigé vers le bas.
Une structure d’onde de choc apparaît clairement pour une pression en réservoir mesurée de 2 bars. Il est à noter que la pression mesurée est une pression relative. Il faut donc la corriger de la pression ambiante pour retrouver les valeurs seuils données par la théorie. Par la suite cette dénomination de pression en réservoir est conservée pour désigner la pression relative mesurée en réservoir. Le contraste de chaque image est ajusté en fonction de la saturation de la caméra. La position des nœuds de Prandtl dans l’écoulement varie en fonction de la pression en réservoir.
Figure 4-33 : Image de strioscopie pour différentes pressions en réservoir. Structure interne au jet libre avec présence de nœuds de Prandtl.
La présence d’une cible dans l’écoulement le modifie également. La Figure 4-34 illustre la position des ondes de choc dans l’écoulement avec présence d’une cible en fonction
4 Paramètres du procédé & caractérisation des outils de la distance de travail. La surface de la cible est représentée par le trait en surbrillance en bas de l’image. Les modifications induites par la présence de la cible sont très localisées.
Une onde de choc de surface apparaît sur les images. En amont de celle-ci le jet est supersonique et correspond à l’écoulement sans cible. En aval le jet est subsonique. La distance entre l’onde de choc de surface et la surface de la cible est fixe. Au fur et à mesure de l’éloignement de la buse, l’écoulement en amont de l’onde de surface retrouve toutes les structures internes propres au jet sans cible. Les nœuds de Prandtl émergent de l’onde de surface voir Figure 4-34, 5 et 7 mm.
Figure 4-34 : Image de strioscopie pour différentes distances de travail (B) pour une pression en réservoir de 2 bars. Structure interne au jet avec présence de nœuds de
Prandtl.
La Figure 4-35 obtenue à l’aide du tube de Pitot représente la pression d’arrêt sur l’axe de la buse en fonction de la distance de travail. Pour des distances correspondant à l’émergence d’un nœud de Prandtl de l’onde de surface, la pression d’arrêt correspondant à cette transition varie fortement avec une amplitude allant jusqu’à 40 %. Par exemple, elle est de 1,8 bars a 3,5 mm et de 3 bars à 4,5 mm pour un gaz de di-oxygène. Donc suivant la distance de travail la pression d’arrêt exercée peut varier considérablement pour une même pression en réservoir et inversement.
La Figure 4-36 illustre la forme générale du champ de pression en régime de nœuds de Prandtl. L’alignement de l’axe de la buse avec le faisceau laser est un réglage sensible qui fait varier la pression d’arrêt au point considéré.
Figure 4-35 : Pression d’arrêt sur l’axe en fonction de la distance de travail pour une pression en réservoir de 3,5 bars.
4 Paramètres du procédé & caractérisation des outils
Figure 4-36 : Champ de pression obtenu, à l’aide du tube de Pitot en régime de nœud de Prandtl pour une pression en réservoir de 6,2 bars.
4.3.3.4.2. Ecoulement en régime de disque de Mach
Pour des pressions en réservoir supérieures et avec une buse inadaptée, des ondes de chocs normales apparaissent dans l’écoulement au sommet des nœuds de Prandtl et sont appelées Disque de Mach, voir Figure 4-37.
La Figure 4-38 représente la pression d’arrêt sur cible en régime de disque de Mach. Cette pression varie différemment du régime précédent en fonction de la distance de travail. Derrière un disque de Mach elle est de l’ordre de 1 bar quelle que soit la pression en réservoir. Pour des distances de travail supérieures deux comportements sont possibles :
• la pression augmente puis oscille autour d’une valeur moyenne, voir Figure 4-39 a,
• la pression n’augmente pas et reste de l’ordre de 1 bar, Figure 4-39 b.
De même dans ce régime, l’alignement de l’axe de la buse avec le faisceau laser est un réglage déterminant.
Figure 4-37 : Image de strioscopie pour différentes distances de travail (B) pour une pression en réservoir de 7 bars. Structure interne au jet avec présence de disque de
4 Paramètres du procédé & caractérisation des outils La Figure 4-38 représente la pression d’arrêt sur cible en régime de disque de Mach.
Figure 4-38 : Pression d’arrêt sur l’axe en fonction de la distance de travail pour une pression en réservoir de 5,6 bars.