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Jets impactants : échange maximal, prévision la plus dure

Un jet impactant donne le plus fort échange thermique par unité de surface. Pour la même raison, sa distribution locale met les modèles en défaut.

Un jet qui frappe perpendiculairement une surface produit les coefficients d'échange thermique locaux les plus élevés que l'on puisse obtenir. C'est pourquoi on l'emploie en trempe du verre, en refroidissement interne des aubes de turbine, en refroidissement localisé de l'électronique et dans les procédés de séchage.

Trois zones

Zone d'arrêt. Le jet frappe la surface, la vitesse tend vers zéro et la couche limite est très mince ; l'échange thermique y est maximal.

Jet pariétal. L'écoulement s'étale latéralement, accélère, puis décélère.

Pic secondaire. Pour certaines distances buse-surface, un second pic d'échange thermique apparaît juste à côté du point d'arrêt, parce que la couche limite y subit la transition. Une conception qui attend une distribution à un seul pic manque cette zone.

Pourquoi c'est difficile à modéliser

La zone d'impact sort des hypothèses sur lesquelles les modèles de turbulence standard ont été bâtis : l'écoulement est normal à la paroi, les contraintes normales dominent, la contrainte de cisaillement est faible. Les modèles isotropes à deux équations produisent systématiquement trop d'énergie cinétique turbulente au point d'arrêt et surestiment l'échange thermique.

Remèdes pratiques : variantes de modèle avec correction au point d'arrêt, modèles sensibles à la transition [1], ou modèles aux tensions de Reynolds qui transportent l'anisotropie [2].

Maillage et distance

Dans la zone d'arrêt, y+ < 1 est obligatoire ; l'échange thermique est le gradient de température à la paroi. Voir la note sur la carte de y+.

La distance buse-surface est un paramètre de conception déterminant et l'optimum se situe dans une plage étroite : trop près, le jet n'est pas développé ; trop loin, il s'étale et perd son énergie.

Réseaux de jets

Ce qui vaut pour un jet isolé ne se transpose pas directement à un réseau : l'air usé des jets voisins crée un écoulement transversal qui couche latéralement les jets situés en aval. Les jets en bout de réseau travaillent nettement moins. La manière dont l'air usé est évacué compte autant que les jets eux-mêmes.

Références

  1. Langtry, R. B. & Menter, F. R. (2009). Correlation-based transition modeling for unstructured parallelized computational fluid dynamics codes. AIAA Journal, 47(12), 2894–2906. DOI: 10.2514/1.42362
  2. Launder, B. E., Reece, G. J. & Rodi, W. (1975). Progress in the development of a Reynolds-stress turbulence closure. Journal of Fluid Mechanics, 68(3), 537–566.

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