Étude experimentale des jets coaxiaux avec différences de densité

Abstract

Les jets coaxiaux ont plusieurs applications pratiques, principalement dans le domaine de la combustion, et particulièrement pour les injecteurs de moteurs de fusées, où l’oxygène liquide (lourd et à faible vitesse) est injecté dans la buse centrale, et l’hydrogène gazeux (très léger et très rapide) est injecté dans la buse annulaire. Afin de nous rapprocher de ce type d’écoulement, nous avons mené des recherches sur les jets coaxiaux, mono-phasiques, isothermes, avec fortes différences de densité. Les gaz utilisés ont été de l’air, de l’hélium et du SF₆. Nous avons mis au point une instrumentation adaptée aux écoulements hétérogènes, basée sur la thermo-anémométrie. Une sonde dite “de sillage” nous a permis d’identifier les régions de recirculation. Les champs de densité ont été obtenus avec une sonde de type aspirante. Les paramètres les plus importants, pour ce type de jet, sont le rapport de vitesse, rv, et le rapport de densité, S, qui ont été regroupés dans le rapport des flux de quantité de mouvement, M. Les jets coaxiaux présentent deux régimes d’écoulements bien définis: l’un recirculant et l’autre de cône potentiel, qui peuvent être distingués à partir d’une valeur critique de ce paramètre, Mc, pour chaque couple de gaz. Mc vaut 40 à 50 pour l’ensemble des gaz utilisés, sauf pouf fe couple hélium-SF₆, pour laquelle Mc ≈ 80 - 100. Une bulle de recirculation se développe avec une frontière aval pratiquement indépendante de M (0,9 à 1,2 Di suivant les différents cas étudiés) et une frontière amont qui remonte vers la buse lorsque M augmente. Les résultats concernant la longueur du cône potentiel se regroupent assez bien en fonction de M, mais il subsiste une légère influence de la densité; un raccourcissement estconstaté lorsque le gaz injecté dans la buse annulaire est plus léger que le gaz du jet central. Contrairement à la tendance prévue, le couple hélium-SF₆ donne un entraînement plus faible que pour les autres gaz.