Expérimentations fondamentales en combustion aérobie Combustion supersonique
La faisabilité de la propulsion aérobie de véhicules à grande vitesse par superstaoréacteur est étudiée à l’Onera depuis plusieurs années dans le cadre de programmes comme Promethee. L’injection et la combustion du carburant dans un écoulement supersonique d’air est un des problèmes clé dont la maîtrise est indispensable pour parvenir à un bilan propulsif satisfaisant du superstatoréacteur. Afin de comprendre les phénomènes physiques tels que le mélange dans des couches supersoniques, l’inflammation du carburant, la stabilisation et le développement de la flamme, l’expérience de base du Laerte représente une configuration d’écoulement simplifiée. Il s’agit de l’injection d’un jet supersonique de combustible parallèlement à un écoulement supersonique d’air chaud. Les conditions régnant dans cet écoulement sont représentatives d'un vol de superstatoréacteur à Mach 6 (Température génératrice 1800 K, pression génératrice 7 bar).
Banc de combustion supersonique
L'air alimentant la veine d’essai est d’abord réchauffé, jusqu'à 850 K, par des échangeurs de chaleur. Un foyer de préchauffage à l’hydrogène permet d’atteindre une température maximum de 2000 K : une injection d’oxygène maintient une concentration en oxygène de 21 %, après cette combustion auxiliaire. Différents combustibles gazeux purs (hydrogène, méthane, éthylène) ou mélangés entre eux ainsi que des hydrocarbures liquides peuvent être étudiés.
De nombreux résultats de mesure, obtenus par des techniques optiques, sont disponibles : champs de température, de vitesse, de la concentration du radical OH. La distribution des pressions pariétales permet de localiser le dégagement de chaleur dans l’écoulement. La distance d'inflammation du combustible dépend très fortement du niveau de température de l'air comme de la composition du combustible, l’hydrogène présentant les conditions les plus favorables pour l’inflammation.
Simulation numérique de l'expérience
Les images instantanées du radical OH par fluorescence induite par laser démontrent la présence de structures à grande échelle (environ 5 à 7 mm) s’enroulant autour de poches de gaz en cours de réaction. Ces zones de réaction ou de gaz brûlés peuvent être déconnectées par des phénomènes d’extinctions locales. Des allumages intermittents sont également mis en évidence à l’amont de cette zone de combustion établie.
La technique de simulation aux grandes échelles avec une approche de type MILES (Monotically Integrated Large Eddy Simulation), n’utilisant pas de modèle de sous-maille, est mise en œuvre avec le code CEDRE pour tenter de reproduire ce comportement instationnaire de la flamme. La carte des concentrations instantanées en hydrogène (cas non réactif) montre bien la déstabilisation de la couche de mélange 10 cm en aval de l’injecteur et le taux d’expansion de la couche de mélange semble réaliste.
Le calcul réactif (modèle d’Eklund pour le mécanisme chimique de l’hydrogène) fournit le champ instantané du radical OH et l’allure respecte les visualisations expérimentales.
La comparaison des profils des pressions pariétales calculés avec les relevés expérimentaux est également satisfaisante.
