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Une tuyère est un dispositif couramment utilisé dans les systèmes de propulsion aérospatiale pour accélérer ou ralentir l’écoulement à l’aide de sa section transversale variable.
Le type de buse le plus basique, la buse convergente, est essentiellement un tube dont la surface diminue progressivement de l’entrée à la sortie, ou gorge. Au fur et à mesure que la surface de la buse diminue, la vitesse d’écoulement augmente, la vitesse maximale se produisant au niveau de la gorge. À mesure que la vitesse d’écoulement d’entrée augmente, la vitesse d’écoulement à la gorge augmente également jusqu’à ce qu’elle atteigne Mach 1. Lorsqu’il atteint Mach 1, l’écoulement à la gorge est étouffé, ce qui signifie que toute augmentation supplémentaire de la vitesse d’écoulement à l’entrée n’augmente pas la vitesse d’écoulement à la gorge. Pour cette raison, les tuyères convergentes sont utilisées pour accélérer les fluides dans le seul régime subsonique.
Le débit dans une buse est causé par une variation de pression entre deux points. Ici, la pression à la sortie est appelée contre-pression, et la pression à l’entrée est la pression de stagnation. Le rapport entre eux est le rapport de contre-pression, qui peut être utilisé pour contrôler la vitesse d’écoulement. Lorsque la pression de stagnation est égale à la contre-pression, il n’y a pas d’écoulement.
Regardons le nombre de Mach sur toute la longueur de la tuyère. Pour la condition d’absence d’écoulement, lorsque le rapport de contre-pression est égal à un, le nombre de Mach est évidemment nul. À mesure que la contre-pression diminue, la vitesse d’écoulement le long de la section convergente augmente, ainsi que le nombre de Mach, avec sa valeur maximale à la gorge. Lorsque le rapport de contre-pression atteint une valeur de 0,5283, le nombre de Mach à la gorge est de un et le débit est étouffé. Au fur et à mesure que la contre-pression est encore réduite, le nombre de Mach à la gorge reste constant à un.
Une autre buse courante est la buse convergente-divergente, qui a une section de surface décroissante, suivie d’une section de surface croissante. Nous pouvons également examiner le nombre de Mach sur toute la longueur de la tuyère convergente-divergente pour examiner les conditions d’écoulement à différents rapports de contre-pression. Pour la condition d’absence d’écoulement, encore une fois, le nombre de Mach est zéro.
Au fur et à mesure que la contre-pression diminue, le nombre de Mach augmente dans la section convergente tout en diminuant dans la section divergente. Lorsque le rapport de pression dans la gorge approche de 0. 5283, le débit s’étouffe et atteint Mach un avant de diminuer subsoniquement. Au fur et à mesure que la contre-pression est encore réduite, le flux après la gorge devient supersonique puis subsonique.
À des rapports de contre-pression très faibles, l’écoulement se dilate de manière isentropique et reste supersonique dans toute la tuyère divergente, atteignant des nombres de Mach supérieurs à un. Alternativement, l’écoulement peut former un choc lorsqu’il se dilate dans la section divergente.
Si la pression à la sortie de la buse est inférieure à la pression ambiante, le jet sortant de la buse est très instable avec des variations de pression et de vitesse. C’est ce qu’on appelle un écoulement trop étendu. Si la pression à la sortie de la buse est supérieure à la pression ambiante, l’écoulement présente un écoulement instable similaire et est appelé sous-expansé.
Dans cette expérience, nous allons démontrer et analyser l’écoulement dans une tuyère convergente et une tuyère convergente-divergente.
Dans cette expérience, nous étudierons le comportement des buses à l’aide d’un banc d’essai de buses, qui consiste en une source d’air comprimé qui canalise l’air à haute pression à travers les buses testées. La pression d’écoulement varie de 0 à 120 psi et est contrôlée à l’aide d’une vanne mécanique. Les pressions sont mesurées à l’aide d’un capteur externe, et les débits massiques sont mesurés par une paire de rotamètres connectés en série juste avant l’échappement de la buse. Les deux buses testées ont 10 ports, permettant des mesures de pression sur toute la longueur de la buse.
Pour commencer l’expérience, montez la buse convergente au centre du banc d’essai de buse. Ensuite, utilisez un tube en PVC haute pression pour connecter les 10 orifices de pression statique au système de mesure de pression, ainsi qu’à l’orifice de pression de stagnation. Connectez le système de mesure de pression à l’interface d’acquisition de données pour collecter des relevés de données en temps réel.
Maintenant, prenez la lecture de la pression de la condition de débit zéro. Ouvrez la vanne mécanique pour démarrer le flux d’air. Ensuite, ajustez le débit à l’aide de la vanne mécanique afin d’obtenir un rapport de contre-pression de 0,9. Enregistrez la pression de stagnation et la pression atmosphérique du système de mesure de pression et la température du capteur de température. Enregistrez la pression manométrique de chaque prise de pression, en vous assurant de noter le numéro de la prise, la position axiale et le rapport de surface de la buse pour chacune d’elles en fonction de la géométrie fournie par le fabricant.
Une fois les valeurs de débit massique saisies, appuyez sur le bouton « Enregistrer les données » pour enregistrer toutes les lectures au rapport de contre-pression défini. Diminuez le rapport de contre-pression par pas de 0,1, jusqu’à un rapport de 0. 1, en enregistrant les mesures à chaque incrément comme auparavant. Assurez-vous de capturer les données à un rapport de contre-pression de 0,5283, qui est la condition théorique d’écoulement étouffé.
Une fois ces tests terminés, coupez le flux d’air, débranchez le tube en PVC et remplacez la buse convergente par la buse convergente-divergente. Connectez les ports au système de mesure, puis répétez toutes les mesures comme décrit précédemment.
Pour analyser nos données, nous calculons d’abord le rapport de pression aux bornes de la buse à l’aide de la mesure de la pression statique à chaque orifice. Rappelons que la mesure de la contre-pression a été effectuée à l’orifice 10. Nous pouvons également calculer le nombre de Mach à chaque port en utilisant cette équation, où gamma est la chaleur spécifique.
Ici, nous avons tracé la variation du rapport de pression et du nombre de Mach en fonction de la distance normalisée de la buse pour chaque débit de notre buse convergente. Au niveau de la gorge, le nombre de Mach ne dépasse pas 1, ce qui signifie que le flux est étouffé. Cependant, il convient de noter que les données au niveau de la gorge correspondent au port 9, qui est légèrement avant la gorge réelle. Au-delà de la sortie de la gorge, il y a une expansion incontrôlée de l’écoulement, conduisant à des nombres de Mach supersoniques.
Ensuite, à l’aide des données collectées, nous pouvons calculer le paramètre de débit massique, MFP, à l’aide de l’équation indiquée. Ici, le point m est le débit massique à travers la buse, T-zéro est la température de stagnation, AT est la surface de la gorge et p-zéro est la pression de stagnation. Le MFP augmente avec le rapport de contre-pression décroissant jusqu’à 0,6, ce qui correspond au comportement attendu, car le débit massique devrait augmenter à mesure que le rapport de contre-pression diminue.
Le MFP doit alors rester constant après 0,6, car le débit est étouffé à ce stade et le débit massique ne peut pas augmenter. Cependant, nous observons une diminution de la PMF dans cette région. Ce résultat est probablement causé par l’emplacement du robinet mesurant la pression de la gorge, qui est légèrement avant la véritable gorge de la buse. Cela pourrait être la raison la plus probable de la lecture incorrecte de l’imprimante multifonction.
Jetons maintenant un coup d’œil à la tuyère convergente-divergente, en commençant par le graphique du rapport de pression et du nombre de Mach en fonction de la distance normalisée de la buse. Les observations de la variation du nombre de Mach à travers la tuyère montrent un écoulement subsonique jusqu’à ce que le rapport de pression à la gorge soit égal à la condition d’écoulement étouffé de 0,5283. Après ce point, trois modèles distincts sont observés à mesure que le rapport de contre-pression est encore réduit.
Tout d’abord, l’écoulement atteint l’état d’étouffement au niveau de la gorge et ralentit subsoniquement dans la section divergente. Deuxièmement, l’écoulement accélère supersoniquement au-delà de la gorge, puis ralentit, dans certains cas à des vitesses subsoniques. Enfin, nous voyons que l’écoulement continue d’accélérer supersoniquement sur l’ensemble de la section divergente pour des rapports de contre-pression inférieurs à 0,3.
Enfin, le graphique de la MFP montre une augmentation avec la diminution des rapports de contre-pression, qui culmine à 0,5283. Ce résultat est attendu à mesure que le débit augmente jusqu’à l’état d’étouffement. Comme pour la buse convergente, le MFP doit rester constant après avoir atteint la condition d’écoulement étouffé, mais nous observons une diminution due à l’emplacement de la prise de pression de la gorge.
En résumé, nous avons appris comment les différentes sections transversales des tuyères accélèrent ou ralentissent l’écoulement dans les systèmes de propulsion. Nous avons ensuite mesuré la pression axiale le long d’une tuyère convergente et d’une tuyère convergente-divergente, afin d’observer les variations du nombre de Mach et de la pression et d’en déduire les modèles d’écoulement.
