Département Multi Physique pour l'Energétique

Les écoulements d’air à très haute vitesse engendrent des variations de masse volumique dont l'intensité augmente rapidement avec le nombre de Mach. Dans la zone de l'écoulement proche-paroi (la couche limite), la formation de gradients locaux de masse volumique est la cause commune des deux problématiques autour desquelles s’articulent les axes du projet MIDENGRAD : l'émission acoustique et les effets aéro-optiques. Le premier axe a des implications sur notre capacité à générer au sol des essais d’écoulements hypersoniques qui puissent correctement reproduire la physique de l'écoulement en vol. En effet, rares sont les souffleries hypersoniques dites "silencieuses" dans le monde, aucune ne l’est en Europe, et tout porte à croire que la plupart des données dont nous disposerons continuera de porter la signature du bruit émis par les couches limites des tuyères de souffleries. Dans ce projet, nous développerons une méthodologie de contournement de cette difficulté qui n’est pas basée sur l’élimination du bruit - ce en quoi consiste la stratégie des souffleries silencieuses. Au lieu de cela, nous caractériserons expérimentalement le bruit de souffleries “bruyantes” afin de l’intégrer dans nos modèles numériques. Cet objectif permettra d'éliminer un obstacle majeur dans le processus de validation des modèles à l’aide d’essais sol bruyants, ce qui nous permettra de continuer à travailler avec l'immense majorité des données expérimentales qui seront disponibles à court et moyen terme. Le second axe porte sur un champ nouveau à l'intersection entre la mécanique des fluides et la photonique. Il consiste à développer une capacité de génération de champs de masse volumique à bas coût, tout en restant représentatifs des couches limites turbulentes et hypersoniques. Ces champs synthétiques serviront ensuite au développement et à la calibration de méthodes de compensation des effets aéro-optiques induits par la couche limite sur les rayons lumineux qui la traversent. La capacité de voir et de communiquer à partir de véhicules hypervéloces en maîtrisant les obstacles à la propagation de fronts d’ondes sur ces vecteurs ouvre de nouvelles possibilités, mais requiert en premier lieu de lever de nombreux verrous scientifiques abordés dans ce projet.

De nombreuses applications essentielles en ingénierie, sur lesquelles nos sociétés s’appuient quotidiennement, reposent sur une compréhension précise de la dynamique des sprays. L'amélioration de l'analyse expérimentale de la distribution de la phase dispersée et la vaporisation d'un spray peut apporter des progrès dans divers domaines, comme l'agriculture, la météorologie, la médecine et l'énergie. Deux paramètres clés définissent macroscopiquement le mélange d'un spray avec l'air: la fraction volumique du liquide injecté et la fraction massique de sa phase vapeur. La Fluorescence Induite par Laser (LIF) est la seule technique aujourd'hui capable de mesurer simultanément la répartition spatiale de ces deux quantités dans un écoulement diphasique. Bien que la LIF soit un outil puissant pour fournir des informations sur le mélange, sa mise en œuvre pratique reste complexe et coûteuse, posant plusieurs importants défis techniques. Ce projet vise à développer une technique de diagnostic optique alternative à la LIF pour mesurer le mélange macroscopique dans les écoulements dilués . L'objectif est de concevoir une méthode à la fois économique et facilement adaptable à divers montages expérimentaux. Pour ce faire, le projet propose d'utiliser le Background Oriented Schlieren (BOS), une méthode de diagnostic optique abordable qui mesure la déviation des rayons lumineux traversant un flux en détectant le déplacement apparent d'un motif illuminé. Notre proposition vise à améliorer le montage optique existant et la chaîne de post-traitement du système BOS pour exploiter à la fois la déviation et l'extinction de la lumière, permettant ainsi la quantification simultanée de la distribution 3D de la fraction massique de la phase vapeur et de la fraction volumique liquide. La technique sera validée par une étude expérimentale et numérique conjointe d'un spray entièrement caractérisé, injecté par un atomiseur simplex, puis appliquée à l'étude d'ondes de mélanges hélicoïdales.

Le concept de la localisation d'Anderson présente un potentiel encore inexploité qui pourrait contribuer à améliorer l'ingénierie aérospatiale et du transport en permettant le développement de matériaux légers et robustes capables d'atténuer les charges dynamiques non stationnaires à haute énergie. Initialement développé pour expliquer la transition métal-isolant dans les métaux purs, le phénomène s'est rapidement avéré omniprésent dans toutes les équations d'ondes pour les milieux désordonnés. Or, malgré les études théoriques et expérimentales sur ce phénomène dans divers domaines et les modèles/équations développés depuis plus de 50 ans, les applications pratiques pour la conception de nouveaux matériaux et structures sont encore rares, en particulier dans le domaine de la vibroacoustique. Le projet DIZZY rassemble des compétences couvrant les aspects théoriques, numériques et expérimentaux pour relever le défi d'isoler les composants structurels des ondes élastiques à haute énergie dans l'industrie aérospatiale et du transport. Les structures périodiques en nid d'abeille (nida) présentent un rapport rigidité-poids élevé, ce qui en fait la solution de choix dans ce secteur. Leur microstructure cellulaire périodique peut entrer en interférence complexe avec les ondes, telles que la diffusion, l'atténuation, le filtrage et éventuellement l'apparition de bandes de fréquences où la propagation des ondes est interrompue. Malheureusement, ces bandes de fréquences sont souvent étroites, et de petits défauts de fabrication incontrôlés peuvent encore réduire leur étendue, ce qui fait des structures HC classiques de mauvais absorbeurs de chocs. Le projet DIZZY vise à relever le défi de la propagation des ondes élastiques à haute fréquence dans les composants aérospatiaux et de transport en exploitant la localisation d'Anderson au moyen d'un désordre sur mesure dans les réseaux nida. L'objectif du projet est de permettre aux structures de dévier l'impact des charges des zones critiques. La durée du projet est de 48 mois, avec une thèse de doctorat (36 mois) et deux études post-doctorales (18 et 12 mois, resp.). Le travail théorique consiste à développer des modèles analytiques pour comprendre la localisation d'Anderson dans des structures en nida désordonné en proposant des techniques pour construire des relations de dispersion dans de tels milieux. Le travail numérique se concentre sur la simulation de leur comportement sous des charges dynamiques en utilisant un solveur Galerkin discontinu dans le domaine temporel, couplé à la création d'un modèle de substitution pour une exploration rapide de la conception. Le travail expérimental implique la fabrication et l'essai de panneaux sandwichs nida ayant un désordre sélectionné. En utilisant un équipement de vibromètre laser et des charges dynamiques non stationnaires de haute intensité, nous tenterons de quantifier l'effet de la localisation d'Anderson dans les structures développées. À la fin du projet, un modèle d'hélicoptère sera équipé d'un tel panneau sandwich et soumis à des contraintes de charge dynamique. En démontrant les applications pratiques de la localisation d'Anderson, le projet DIZZY a le potentiel d'ouvrir la voie à de futurs progrès dans les industries de l'aérospatiale et du transport, où le désordre n'était jusqu'à présent considéré que comme une source de perte d'efficacité. Pour changer ce paradigme, l'équipe du projet vise à proposer de nouvelles conceptions avec une capacité améliorée à annihiler le transport d’énergie vibratoire par ondes sur de larges bandes de fréquence, tout en faisant progresser la recherche fondamentale pour mieux comprendre l'effet du désordre sur le comportement dynamique des panneaux sandwichs nida et les mécanismes sous-jacents. La finalité du projet DIZZY est de concevoir des matériaux et structures qui rendront les véhicules aérospatiaux plus légers, plus robustes et plus aptes à supporter des charges dynamiques non stationnaires.

La réduction de l'empreinte environnementale des avions, par la baisse de leur consommation de carburant et de leur émission sonore, est un enjeu majeur qui passe par de nouvelle avancées scientifiques et technologiques. Avec l’arrivée des réacteurs à haut taux de dilution et la diminution du bruit de jet qu’ils permettent, les ondes acoustiques générées par les pales de la soufflante sont devenues une composante prépondérante du son émis et leur atténuation est plus que jamais nécessaire. Les réacteurs d’avion utilisent des matériaux insonorisants (appelés acoustic liners en anglais) pour réduire leur émission de bruit. Dans leur architecture la plus répandue, ceux-ci sont constitués de petites cavités résonantes placées dans l’épaisseur de la nacelle du réacteur, qui sont séparées de l’écoulement par une plaque perforée. Lors de leur propagation, les ondes acoustiques générées par la soufflante sont en partie transformées en tourbillons dans les cavités du matériau absorbant, lesquels sont in fine dissipés par viscosité. C’est le mécanisme classique d’absorption de l’énergie sonore. Dans les réacteurs d’avion, une spécificité est que les ondes acoustiques se propagent dans un écoulement rasant turbulent, ce qui a plusieurs conséquences. D'une part, cet écoulement modifie la réponse acoustique du revêtement, c’est-à-dire son impédance acoustique, dont la définition même pose problème avec écoulement. D’autre part, le matériau affecte la structure de la couche limite turbulente, ce qui a un effet néfaste sur la trainée, signifiant que l’absorption sonore se fait au détriment de la consommation. Ainsi, une interaction entre trois acteurs différents se met en place : l'écoulement turbulent, l'onde acoustique, et le revêtement acoustique. Cette interaction est complexe de par sa nature fortement non linéaire et nécessite d'être étudiée dans son ensemble, ce qui fait l'objet du projet ACOUDRAG. Ce projet répond au besoin d'accroître les connaissances fondamentales dans deux domaines mentionnés dans l'Axe B.4 de l'Appel à Projets Générique 2023 (Ingénierie et Sciences des Procédés) : la mécanique des fluides et l'aéroacoustique. Il rassemble deux partenaires : l’Institut PPRIME (Université de Poitiers, CNRS), et l’ONERA Toulouse, un établissement public à ambition industrielle. Le projet ACOUDRAG cherche à éclaircir la physique de l'écoulement à proximité d'une surface traitée acoustiquement en considérant deux problèmes liés : (1) Comment les revêtements réagissent-ils aux structures turbulentes, comment ces dernières modifient-elles l’impédance acoustique ? (2) Comment quantifier l'effet de l'interaction onde acoustique/paroi sur la dynamique de l'écoulement ? En particulier se pose la question de l’impact de l’onde acoustique sur la trainée et des paramètres régissant cette interaction. Pour apporter une réponse à ces questions, le positionnement du projet consiste à utiliser des simulations numériques à haute-fidélité ainsi que des techniques de mesure résolues en temps. Les simulations numériques seront réalisées à PPRIME et porteront sur des écoulements de canal pleinement turbulents, où les échelles de la turbulence seront intégralement incluses ou partiellement modélisées, et la géométrie du matériau absorbant sera pris en compte. Les expériences seront réalisées à l’ONERA, qui dispose de deux bancs de mesures performants associant mesures microphoniques et vélocimétrie laser, et autorisant la mesure du frottement pariétal. Les partenaires définiront des configurations communes et partageront leurs méthodologies d’analyse. Leurs contributions complémentaires fourniront une base de données fiable et complète. Son analyse permettra d'élucider et de modéliser la dynamique des écoulements, et guidera la conception de nouveaux matériaux, permettant aux revêtements acoustiques de maximiser leurs propriétés d'absorption acoustique et de minimiser leur traînée. La base de données sera publiée en libre accès pour la communauté.

Le projet ALlumage acTIvé Par Ondes Retournées Temporellement 2 se donne pour objectif de réaliser une rupture avec les techniques habituelles d’allumage. Elles utilisent une activation locale et figée dans la chambre de combustion. Ces « bougies », positionnées en parois n’offrent que peu de degrés de liberté pour allumer les moteurs dans des conditions critiques. En particulier lors de l’allumage à froid et en altitude ou lors d’une procédure de ré-allumage en vol. Dès lors des alternatives innovantes sont activement recherchées au sein de la communauté aéronautique. Celle proposée ici offre un dépôt d’énergie versatile et la caractérisation du domaine d’allumage associé est le résultat attendu du projet. Comme cela a récemment été montré au LAboratoire PLasma et Conversion d’Energie, la maîtrise de la forme temporelle de la puissance électromagnétique injectée dans une cavité microonde réverbérante, telle que serait une chambre de combustion convenablement blindée, permet d’envisager la création et le contrôle dans l’espace et le temps d’un plasma. Par sa température et sa réactivité chimique, ce dernier est ensuite capable d’initier la combustion. Il faut disposer d’un circuit d’allumage avec une architecture particulière. Selon la procédure classique de retournement temporel mise en place à l’Institut Langevin, un apprentissage permet de connaître la forme temporelle précise associée à chaque position dans la chambre de combustion. La production et l’amplification de cette forme permettent de créer une impulsion de quelques nanosecondes de durée à l’endroit désiré. On peut ainsi focaliser la puissance microonde en un lieu plus approprié pour l’allumage en conditions extrêmes et répéter ces impulsions à des cadences très élevées. L’exploitation de ce procédé permet d’envisager l’extension du domaine d’allumage des moteurs vers des situations qui présentent aujourd’hui des difficultés non surmontées. Le LAPLACE est expert et innovant sur les plasmas microondes engendrés par retournement temporel. L’ONERA est reconnu pour ses moyens d’essais disposant d’une instrumentation au meilleur niveau d’analyse et son expertise de longue date dans l’allumage des moteurs aérobies. Le CEA-Gramat est un centre de référence dans la production, la caractérisation et l’exploitation des hautes puissances pulsées microondes. Le LAPLACE et l’ONERA avec l’appui du CEA-Gramat proposent de conduire une recherche conduisant à allumer puis à contrôler un plasma atmosphérique dans une chambre de combustion par une stratégie de retournement temporel. Les étapes de ce travail seront : - l’adaptation d’une chambre de combustion représentative au procédé ALTIPORT 2, - l’étude du claquage de l’air dans cette chambre avec l’aide d’un initiateur résonant, - la réalisation de l’allumage et les études paramétriques conduisant à adapter la stratégie aux conditions de test, - l’évaluation de cette méthode d’allumage. Ce projet permettra de poser les bases scientifiques et techniques sur lesquelles développer un futur système opérationnel profitable aux aéronefs d’usage civil ou de défense. Ce projet se donne aussi pour objectif d’identifier les partenaires académiques et industriels des domaines de l’électronique microonde de puissance et de l’allumage de moteurs aérobies pour les informer des résultats et les intéresser à l’exploitation industrielle d’ALTIPORT 2 qui suivra, vraisemblablement dans un cadre ASTRID maturation à la suite du présent projet de recherche.