Utilisation d’actionneurs plasma pour l’amélioration de l’efficacité d’un système de refroidissement par film

La technique de refroidissement par film est couramment utilisée dans les moteurs aéronautiques, notamment pour protéger les aubes des contraintes thermiques liées à la combustion. Cette technique consiste à injecter un jet d’air froid, au travers de parois multi-perforées, afin que l’air injecté recouvre au maximum la surface à protéger. Augmenter l’efficacité de ces systèmes de refroidissement constitue un objectif majeur pour l’aéronautique, car l’amélioration de ces systèmes permettrait non seulement d’augmenter la longévité des matériaux, mais aussi d’augmenter la température de combustion et donc le rendement du moteur. Plusieurs travaux ont déjà été menés pour étudier les différentes stratégies à adopter afin de maintenir le jet d’air froid au contact de la paroi (forme de la fente, position de la fente, angle d’injection, nombre de fentes, taux de soufflage…). Cependant, les différentes stratégies étudiées ne sont efficaces que pour des conditions spécifiques et ne peuvent pas s’adapter en temps réel aux variations de la vitesse de l’écoulement dans le moteur.

Dans le cadre du LABEX INTERACTIFS, l’objectif de ce projet est d’évaluer le potentiel d’amélioration de ce système de refroidissement par l’utilisation de décharges plasma. Depuis une quinzaine d’années, les actionneurs plasma ont pu démontrer leur potentiel pour le contrôle d’écoulements dans différents domaines. Contrairement aux autres types d’actionneurs, ils demeurent simples d’utilisations, légers et capables de générer des perturbations localisées dans une très large gamme de fréquences et d’amplitudes. A faible vitesse et à température ambiante, l’utilisation d’un champ électrique permet d’ioniser l’air ambiant. La création d’une région de plasma faiblement ionisée résulte en la formation d’une force électrohydrodynamique au sein de la décharge. Cette force est largement utilisée comme outil de contrôle actif d’écoulements séparés puisqu’elle permet de modifier profondément les transferts de quantité de mouvement en proche paroi. L’utilisation de ces plasmas froids pourrait ainsi favoriser le recollement du film froid sur la paroi chaude, augmentant ainsi son efficacité.

Les études réalisées dans ce projet portent sur l’utilisation d’actionneurs plasma, de type décharge à barrière diélectrique (DBD) surfacique, pour améliorer l’efficacité du refroidissement par film. Des essais ont été réalisés dans une soufflerie thermo-régulée où un jet d’air issu d’une fente rectangulaire est injecté dans l’écoulement principal. L’effet de l’actionneur plasma, disposé en sortie de jet, sur l’efficacité du système de refroidissement a été étudié pour différents taux de soufflage ainsi que pour différentes températures de jet. Les résultats, issus de mesures PIV 2D et de thermographie infrarouge, montrent que l’actionneur permet d’augmenter l’efficacité du système de 15% en moyenne dans toutes les gammes de vitesse explorées. L’étude du jet seul a permis de mettre en évidence que l’utilisation de l’actionneur permettait la suppression du décollement en sortie de fente par ajout de quantité de mouvement en très proche paroi. Le jet reste au contact de la surface et sa diffusion dans l’écoulement principal est ainsi retardée, ce qui permet de limiter les échanges thermiques entre l’écoulement amont et la paroi à protéger.