Les aubes de turbines à gaz, les chemises de chambres de combustion et les pièces d'échappement travaillent dans un gaz plus chaud que ce que le matériau peut supporter. Le refroidissement par film interpose entre la surface et le gaz chaud une mince couche protectrice d'air froid.
Le taux de soufflage : trop peu est mauvais, trop est pire
L'efficacité du refroidissement croît avec le taux de soufflage (le rapport des flux de masse entre air de refroidissement et écoulement principal) — jusqu'à un certain point.
Si le taux devient trop élevé, le jet pénètre dans l'écoulement principal au lieu de rester plaqué, et décolle. La surface est alors sans protection ; pire, le jet décollé engendre une paire de tourbillons contrarotatifs qui attire le gaz chaud vers la surface. Résultat : dépenser plus d'air et refroidir moins bien.
L'optimum se situe dans une plage étroite qui dépend de la géométrie, et c'est là le vrai objet de la conception.
La géométrie du trou
Angle d'inclinaison. Un angle faible par rapport à la surface (typiquement autour de 30°) aide le jet à rester plaqué ; un trou normal décolle immédiatement.
Sortie en éventail. Élargir la sortie du trou abaisse la vitesse du jet et accroît l'étalement latéral. À débit d'air égal, la couverture est nettement meilleure, d'où son caractère standard dans les conceptions modernes.
Angle composé. Ajouter un angle latéral par rapport à l'écoulement améliore la couverture latérale.
Avertissements de modélisation
Résoudre les trous coûte cher. Calculer chaque trou fait exploser le maillage. Une approche courante représente les trous par des termes sources — mais ce schéma ne voit ni le décollement du jet ni la paire de tourbillons, c'est-à-dire précisément le phénomène critique. Dans la région critique, les trous doivent être résolus.
Une solution conjuguée est nécessaire. La température du métal est fixée à la fois par le gaz chaud extérieur et par le canal de refroidissement intérieur. Voir la note sur le transfert thermique conjugué.
Le mélange turbulent commande. La rapidité de dilution du jet est fixée par le modèle de turbulence, et dans cette configuration les modèles diffèrent systématiquement. Le résultat doit être utilisé de façon comparative.
Références
- Menter, F. R. (1994). Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, 32(8), 1598–1605. DOI: 10.2514/3.12149
- Modest, M. F. & Mazumder, S. (2021). Radiative Heat Transfer, 4th ed. Academic Press. ISBN 978-0-323-98406-5.