WO2011018571A1 - Hacheur aerodynamique pour la pulsation d'ecoulement de gaz - Google Patents

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WO2011018571A1
WO2011018571A1 PCT/FR2010/051557 FR2010051557W WO2011018571A1 WO 2011018571 A1 WO2011018571 A1 WO 2011018571A1 FR 2010051557 W FR2010051557 W FR 2010051557W WO 2011018571 A1 WO2011018571 A1 WO 2011018571A1
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Bertrand Rowe
Sebastien Morales
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Universite Rennes 1
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    • Y10T137/218—Means to regulate or vary operation of device
    • Y10T137/2185—To vary frequency of pulses or oscillations

Definitions

  • the present invention relates to a pulsed flow device. More particularly, the invention relates to a device for the flow of a supersonic flow.
  • the said invention proposes to provide a technical solution in the many areas where the flow of a gas or a liquid must be drawn for the purposes of the process or to limit the consumption and size of the pumping means.
  • flows obtained by a Laval nozzle it is possible to generate a uniform supersonic jet at very low temperature (currently up to 20K) and stable over hydrodynamic times between 150 and 1000 microseconds.
  • the purpose of this invention is to solve problems related to the use of aerodynamic tools in research and development and industrial processes.
  • the device according to the invention can greatly reduce the average flow rate to be injected into the tank and thus reduce in the same proportions the pumping capacity necessary to maintain a low pressure in the expansion chamber.
  • the device according to the invention is not subject to flow disturbances such as those present in the state of the art.
  • the obstruction means is a rotary or reciprocating mechanical disk for opening and closing the flow.
  • a bore 24 with a stop is machined to receive the bearings used for the rotation of the chopper axis 3.
  • two holes are drilled, intended to receive Socket bearings 4 in which will be positioned two major axes 5 mounted on the reservoir 23.
  • the main part 22 is mounted on the gas tank 23 via the two axes 5. More particularly, the main portion 22 is mounted by sliding on these axes 5 to be connected to the reservoir 23.
  • Curve (a) illustrates the results from a numerical simulation of the time resolution type of Navier Stokes equations in 2-D for this nozzle profile.
  • Curve (b) shows the results from the Pitot tube impact pressure measurement at different positions in the nozzle axis. The peculiarity of these pitot measurements arises from the fact that each point of the impact pressure curve is obtained by taking an average value of the maximum on the plateau of curves representing the pulse of impact pressure as a function of time, identical to those of Figures (e) and (f).

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif d'écoulement puisé supersonique. La dite invention se propose de fournir une solution technique dans les nombreux domaines où l'injection d'un débit doit être puisé pour les besoins du processus ou pour limiter la consommation et la taille des moyens de pompage. Dans le cas d'écoulements obtenus par une tuyère de Laval (13, 18), il est possible de générer un jet supersonique uniforme à très basse température (actuellement jusqu'à 20K) et stable sur des temps hydrodynamiques compris entre 150 et 1000 microsecondes. Cette invention a pour but de résoudre des problèmes liés à l'utilisation d'outils aérodynamiques en recherche et développement et procédés industriels.

Description

Hacheur aérodynamique pour la pulsation d'écoulement de gaz
La présente invention concerne un dispositif d'écoulement puisé. Plus particulièrement l'invention concerne un dispositif d'écoulement d'un flux supersonique. La dite invention se propose de fournir une solution technique dans les nombreux domaines où l'écoulement d'un gaz, ou d'un liquide, doit être puisé pour les besoins du processus ou pour limiter la consommation et la taille des moyens de pompage. Dans le cas d'écoulements obtenus par une tuyère de Laval, il est possible de générer un jet supersonique uniforme à très basse température (actuellement jusqu'à 20K) et stable sur des temps hydrodynamiques compris entre 150 et 1000 microsecondes. Cette invention a pour but de résoudre des problèmes liés à l'utilisation d'outils aérodynamiques en recherche et développement et procédés industriels. La présente invention trouve son origine dans l'évolution d'un dispositif expérimental dédié à l'étude des processus réactionnels et collisionnels et à la spectroscopie à basse température appelé CRESU[I ](Cinétique de Réaction en Ecoulement Supersonique Uniforme). Cette technique développée au milieu des années 80 par B. R. Rowe est basée sur la génération d'un écoulement de gaz continu, supersonique et uniforme qui constitue un véritable réacteur chimique ultrafroid sans paroi. Elle consiste en l'utilisation d'une tuyère de Laval (c.-à-d. un profil axisymétrique composé d'un convergent et d'un divergent) associée à de grandes capacités de pompage (33 000 m3/h) qui génèrent, par une détente isentropique, un jet supersonique uniforme permettant d'atteindre des températures très basses tout en restant en phase gazeuse. Les températures accessibles sont comprises, actuellement, dans la gamme 15-300 K pour des densités typiques allant de 1016 à 1017 cm"3. Un aspect essentiel de la technique CRESU est qu'elle permet de travailler dans des conditions d'équilibre thermodynamique local (en particulier pour les états de rotation et de spin-orbite). Elle est aussi la seule permettant d'étudier les réactions neutre-neutre à très basses températures[2]. Néanmoins, cette technique comme tous les procédés utilisant des écoulements supersoniques, est confrontée à des inconvénients majeurs provenant de l'exigence de travailler avec des débits importants, typiquement de l'ordre de 50 Standard Litre/min, afin de conserver un cœur isentropique stable suffisamment longtemps. De ce fait, une grande capacité de pompage est indispensable pour maintenir une faible pression dans la chambre de détente. Ce pompage important entraîne une forte consommation de gaz qui rend difficile l'étude d'espèces chimiques coûteuses ou issues d'une synthèse. Pour répondre à cette problématique, la perspective de puiser l'écoulement s'avère être une des meilleurs solutions. Amirav et al [3] ont décrit un appareillage en fente puisée capable de générer un jet libre planaire puisé dédié à l'étude spectroscopique. Un jet libre se caractérise par la détente d'un gaz par un simple orifice dans un environnement à basse pression sans être confiné par les parois d'une tuyère. Ce type de jet est simple à mettre en place car il ne nécessite pas la mise au point de tuyères au profil sophistiqué. Suite à ces travaux, Kenny et Woundenberg ont déposé un brevet[4] N° 4 834 288 pour un appareil fonctionnant avec une fréquence de répétition de 12 Hz et une durée de pulsation de 120 microsecondes, basée sur la rotation de deux cylindres concentriques percés d'une fente de 0,2 mm de largeur et de 35 mm de longueur. Ce système a la possibilité d'être chauffé jusqu'à une température de 200 °C. Cet appareillage a été utilisé pour des études de spectroscopie en absorption et/ou en LIF (Laser Induced Fluorescence) sur des molécules organiques de grande taille[5]. L'utilisation de jet supersonique pour la spectroscopie est une méthode très répandue car elle permet de décongestionner les spectres par la relaxation des différents degrés de liberté des molécules. En effet, la mise en mouvement des molécules transforme l'énergie thermique en énergie cinétique dirigée ce qui entraine un abaissement de la température translationnelle et un resserrement de la distribution en vitesse des molécules. On assiste à une thermalisation par collision des états rotationnels et vibrationnels par transfert d'énergie vers la translation. Ces transfert d'énergie sont extrêmement rapides et permettent aux différents degrés de liberté, dans la première phase de la détente où les chocs sont nombreux, de s'équilibrer se traduisant par la thermalisation des différents états. La grande simplification spectrale induite dans les écoulements supersoniques, surtout dans le cas de spectre de molécules polyatomiques complexes, en ont fait un outil très populaire chez les spectroscopistes. Un autre brevet N° 5 295 509, déposé par Suto et al [6] décrit un système de tuyère puisée adapté à l'étude des réactions à basses températures et à l'utilisation de fort débit sans réduction des vitesses de pulsation. Ce système utilise deux membranes percées de multiples fentes où deux actionneurs piézoélectriques alimentés par un générateur de pulsation permettent de déplacer l'une des membranes. Ceci conduit au passage ou non du gaz dans la tuyère lors de l'alignement des fentes.
Okada et Takeuchi [7] ont développé un jet supersonique planaire puisé utilisant un dispositif d'arbre à cames pour puiser l'injection de gaz dans le réservoir de la tuyère. Avec une épaisseur au col de 3 mm et une longueur de 500 mm pour une durée de puise minimum de 25 ms, ce type d'instrument a été utilisé lors d'études spectroscopiques, le caractère planaire permettant d'augmenter le trajet optique et donc le nombre de molécules absorbantes. Le CEA a également proposé un type de système puisé (brevet N° 7 093 774 B2) par l'invention de Martin [8] dans le but de permettre l'injection de matière dans une installation d'étude des plasmas de fusion thermonucléaire sur un principe de fermeture par un piston mise en mouvement par compression. Les données techniques ont montré que ce système autorisait une ouverture de soupape d'une durée de 2 ms à une fréquence de fonctionnement de 10 Hz.
Le premier système visant à reproduire la technique CRESU dans une version puisée a été développé par D. B. Atkinson et M. A Smith [9] et réside en un remplissage périodique du réservoir via des vannes puisées commerciales. Cinq autres moyens d'essais sur ce principe ont été développés au niveau international (M. Smith, Tucson, USA; S. Leone, Université de Berkeley, USA; J. Troe, Université de Goettingen, Allemagne; M. Pilling, Université de Leeds, GB ou à haute pression M. Costes, Université de Bordeaux). Ces moyens d'essais restent néanmoins limités en température et ne sont en général opérationnels qu'au dessus de 50 K.
Depuis son invention dans les années 80, la technique CRESU ainsi que ses versions puisées ont apporté une forte contribution dans le domaine de la réactivité en phase gaz des milieux extrêmes[10-12]. Elles se sont également inscrites comme des outils aérodynamiques remarquables et au fort potentiel dans de nombreux domaines réclamant le recours à des écoulements à importants flux de gaz à haute vitesse. Malgré cela, aucune réelle adaptation complète du système CRESU n'a vu le jour pour permettre une forte démocratisation de la technique et sa transposition vers d'autres champs d'application.
Toutes les inventions précédemment citées ont en commun une difficulté fondamentale d'établir des conditions non stationnaires strictement identiques à celles de l'écoulement stationnaire en raison du temps de remplissage du réservoir. Typiquement, les dispositifs cités ci-dessus ne permettent pas d'obtenir un écoulement uniforme avec des conditions de pression et de débit d'alimentation de la tuyère stables sans consommation excessive de gaz ; le réservoir devant être régulièrement rempli, il ne peut alimenter l'écoulement en conservant des conditions d'injection dans le dispositif stables.
Pour atteindre le point de fonctionnement de la tuyère (c.-à-d. les conditions de pression et de débit stable conduisant un écoulement uniforme) dans un temps raisonnable, actuellement entre 5 et 10 ms, la solution consiste à réduire la taille de réservoirs (~1 cm3). Une telle solution impose une préparation à l'avance des mélanges de gaz à injecter ainsi que leur conditionnement dans un pré-réservoir dans des quantités limitées. De plus cette solution induit des perturbations d'écoulement, les conditions génératrices du réservoir n'étant plus clairement définis du fait des forts gradients de vitesse dans le petit réservoir. Le système à cylindres de Kenny et Woudenberg [4] présente une géométrie difficilement transposable dans la plupart des applications. Le dispositif selon l'invention a pour but de conserver des conditions de pression et de débit du réservoir stables tout en produisant un écoulement uniforme et ce sans limiter la taille du réservoir. Le dispositif selon l'invention a en outre pour objectif de ne pas avoir à préparer et conditionner à l'avance dans des pré- réservoirs les mélanges de gaz à injecter.
L'invention a donc pour objet un dispositif d'écoulement puisé comportant une injection continue dans le dispositif alimentée par un réservoir, un moyen d'obstruction de l'écoulement, le moyen d'obstruction étant combiné à un système d'étanchéité dynamique de manière étanche autour de l'écoulement, caractérisé en ce que le moyen d'obstruction ouvre et ferme par obstruction l'écoulement à des fréquences élevées.
Le dispositif selon l'invention se propose de puiser les écoulements supersoniques par un obturateur mécanique de type hacheur sur une section d'écoulement sans avoir recours à l'injection puisée dans le réservoir ce qui permet, à fréquence d'obturation suffisamment élevée, d'obtenir un régime pseudo stationnaire pour tous les réglages de débits. Le principe de fonctionnement général consiste à puiser l'écoulement par l'obturation de la section de passage du gaz ou du liquide via un moyen d'obstruction, par exemple un disque rigide perforé tournant à grande vitesse. Dans le cas d'une tuyère de Laval, le système est installé sur le divergent, la position exacte dépendant de la géométrie de la tuyère. La fréquence de rotation est telle que les conditions de réservoir restent inchangées (P0, T0) quand le système atteint un régime pseudo-stationnaire. Ce dispositif permet de réduire fortement le débit moyen à injecter dans le réservoir et ainsi de réduire dans les mêmes proportions les capacités de pompage nécessaires pour conserver une basse pression dans la chambre de détente. De plus, le dispositif selon l'invention n'est pas sujet à des perturbations d'écoulement telles que celles présentes dans l'état de la technique. Dans une variante de l'invention le moyen d'obstruction est un disque mécanique rotatif ou à mouvement alternatif permettant d'ouvrir et de fermer l'écoulement.
Avantageusement, dans un perfectionnement, l'axe de rotation du disque ne passe pas par un axe d'écoulement du flux, le disque comportant un trou, une rotation du disque amenant alternativement une partie pleine du disque et ledit trou en regard de l'écoulement. Le disque comporte en outre une coupe dans un bord dudit disque, ledit bord étant opposé au trou par rapport au centre du disque. Le trou est préférentiellement de forme oblongue dans ce perfectionnement.
Avantageusement, le système d'étanchéité dynamique comporte un joint principal, un joint secondaire, une bague amont et un joint compensant les variations de mouvement du hacheur garantissant les conditions de contact entre le hacheur et les composants mécaniques profilant l'écoulement.
Un mode de réalisation prévoit que les géométries du système d'étanchéité dynamique et du moyen d'obstruction sont adaptées aux tuyères de Laval, permettant en particulier la conservation des propriétés d'uniformité des écoulements.
Un autre mode de réalisation prévoit que les géométries du système d'étanchéité dynamique et du moyen d'obstruction sont adaptées aux tuyères de formes planaires et axisymétriques.
Dans une variante, le moyen d'obstruction est une plaque plane en mouvement alternatif.
L'invention a aussi pour objet une utilisation d'un dispositif d'écoulement puisé de gaz selon l'invention comme fenêtres aérodynamiques ou pour protéger des éléments de passage optiques du type fenêtre optique. Un mode d'utilisation particulier de l'invention prévoit l'utilisation du dispositif selon l'invention afin de générer des écoulements à très basses températures.
La présente invention est maintenant décrite à l'aide d'exemples uniquement illustratifs et nullement limitatifs de la portée de l'invention, et à partir des illustrations ci-jointes, dans lesquelles :
- La figure 1 représente une vue en perspective schématique comportant une partie en transparence d'un dispositif selon l'invention ;
- La figure 2 représente une vue en coupe transversale d'un dispositif selon l'invention ;
- La figure 3 représente une comparaison des différentes techniques utilisées pour caractériser, en température, le jet puisé obtenu à l'aide du hacheur aérodynamique ;
- La figure 4 montre un spectre rovibronique du radical CN obtenu par LIF « (Laser Induced Fluorescence » en anglais) et utilisé pour déterminer la température rotationnelle de l'écoulement.
La figure 1 représente une vue en perspective schématique comportant une partie en transparence d'un dispositif selon l'invention
Les dimensions données ci après le sont à titre d'exemple et ne sont nullement limitatives de la portée de l'invention, pouvant être adaptées par l'homme de l'art en fonction des applications. L'exemple donné ci-dessous est donné pour un écoulement puisé de gaz, mais l'invention s'applique de manière identique à un écoulement d'un autre type qu'un écoulement puisé de gaz, par exemple un écoulement de liquide.
Le dispositif comprend une partie 22 dite partie principale 22, un système 21 de hachage et un réservoir 23 à l'origine de l'injection de gaz dans le dispositif d'écoulement.
Le système 21 de hachage est supporté par la partie principale 22 et comprend un hacheur 3, ou disque ou tout autre moyen d'obstruction à ouverture alternative. Ladite partie principale 22 est fixée sur un réservoir 23, ledit réservoir étant à l'origine de l'injection dans le dispositif d'écoulement de gaz ou tout autre élément devant être puisé. Cette partie principale 22 est constituée de deux supports principaux 1 et 2 rigides de forme circulaire ayant par exemple un diamètre 340 mm et une épaisseur 20 mm. Ces supports 1 et 2 sont en regard l'un de l'autre. Dans le cas d'une tuyère de Laval, les centres respectifs des supports principaux 1 et 2 sont percés pour accueillir des socles 12 et 19 contenant les profils convergents et divergents des tuyères 13 et 18. A une distance de 90 mm des centres des supports principaux 1 et 2, un alésage 24 avec butée est usiné afin de recevoir les roulements utilisés pour la rotation de l'axe du hacheur 3. A 140 mm des centres des supports principaux 1 et 2, deux trous sont percés, destinés à recevoir des roulements à douille 4 dans lesquelles viendront se positionner deux grands axes 5 montés sur le réservoir 23. La partie principale 22 est montée sur le réservoir 23 de gaz par l'intermédiaire des deux axes 5. Plus particulièrement, la partie principale 22 est montée par coulissement sur ces axes 5 afin d'être raccordée au réservoir 23. Le montage par coulissement permet un déplacement de la partie principale 22 le long de ces axes 5 et un dégagement facilité de ladite partie principale 22 du réservoir 23 ainsi qu'un changement aisé de ladite partie principale 22 et/ou de la tuyère 13 et/ou 18 en fonction des besoins d'utilisation. . Sur chacun des supports principaux 1 et 2, se trouvent également, à 85 mm du centre desdits supports principaux 1 et 2, deux empreintes consacrées au logement d'un système de guidage 6 à roulement du hacheur 3. Ce système de guidage 6 évite toute déviation du hacheur 3 lorsque ce dernier est en rotation. Le réglage du guidage 6 est effectué par des vis micrométriques fixées sur les supports 1 et2 qui viennent pousser les montures des roulements, le contre rappel étant assuré par des ressorts.
Les deux supports 1 et 2 sont montés face à face grâce à trois colonnes de positionnement 7)de 20mm de diamètre, lesdites colonnes 7 étant par exemple emboîtées dans les faces 25 des supports principaux respectivement 1 et 2 en vis- à-vis l'une de l'autre. Cet agencement permet le parallélisme et l'alignement entre les deux supports 1 et 2. La distance entre les deux supports 1 et 2 est minimisée pour optimiser la précision des réglages. Enfin, le support principal 2 dédié à la partie divergente de la tuyère 18 reçoit les fixations du moteur 8 entraînant le hacheur 3. Le hacheur 3 se présente sous la forme d'un disque 3. Le diamètre du hacheur 3 est de 240 mm, pour une épaisseur de 1 à 2 mm. Un trou oblong 26 de longueur d'arc variable et de diamètre 12 mm est agencé à 90 mm du centre du hacheur 3. Une découpe est réalisée sur un bord 27 opposé au trou oblong 26 par rapport au centre du hacheur 3. Cette découpe permet d'équilibrer le disque 3 malgré la présence du trou oblong 26. Ce maintien de l'équilibre évite le balourd et les vibrations du disque 3 à haute vitesse de rotation. Il est à préciser que toutes les côtes fournies ne sont qu'indicatives et dépendent évidemment du dimensionnement de l'installation et des performances désirées. Typiquement, le hacheur 3 est tel que l'axe de rotation dudit hacheur est parallèle à l'écoulement et ne passe pas par ledit écoulement. Le trou 26 du hacheur est situé à une distance du centre égale à une distance séparant le centre du hacheur 3 de l'écoulement du gaz. Cette distance est en effet adaptée pour assurer une mise en regard alternative du trou avec l'axe de l'écoulement. La découpe en bord dudit hacheur 3 est réalisée afin d'équilibrer la rotation du hacheur. La découpe est agencée à l'opposé du trou par rapport au centre du hacheur 3.
La figure 2 représente une vue en coupe transversale d'un dispositif selon l'invention Suivant le principe de fonctionnement rappelé ci-après, le hacheur 3 tourne entre la partie convergente (12,13) et divergente (18,19) de la tuyère. Pour éviter la rupture de profil qui conduirait à détruire les caractéristiques de l'écoulement, le hacheur 3 est de préférence mince et parfaitement plan. Le hacheur 3 peut être monobloc, en verre ou en céramique. Une autre solution est d'utiliser un disque 3 composés d'une partie métallique (Inox, Aluminium, ...) recouverte d'un dépôt de Téflon pur ou chargé, de PFA ou d'une matière composite, dont les propriétés sont un compromis entre bon coefficient de frottement et une importante tenue à l'usure. Dans certains cas, la solution d'un collage de plusieurs couches est à retenir car elle permet de cumuler les propriétés des constituants et d'éviter les déformations dues au procédé de dépôt.
Sur la partie principale 22, le hacheur 3 est maintenu entre deux pièces cylindriques de fixation 9 et 10. Les deux pièces de fixation 9 et 10 sont alésées en leur centre. Un axe de transmission 1 1 coopérant avec le hacheur 3 est inséré dans ces alésages 9 et 10. Les alésages 9 et 10 et l'arbre 1 1 sont ajustés finement pour permettre la translation avec un jeu réduit de tout le hacheur 3 et autoriser le positionnement entre le convergent (12,13) et le divergent (18,19) de la tuyère, ainsi qu'un démontage facilité du système 21 de hachage.
Un premier élément, nommé socle convergent 12, comporte des griffes de serrage 28. Ces griffes de serrage 28 coopèrent avec le réservoir 23 afin d'assurer le montage de la partie principale 22 sur le réservoir 23. Le socle convergeant 12 comporte un logement complémentaire de la partie amont 13 de la tuyère, ledit logement est apte à recevoir ladite partie amont 13 de la tuyère. Ce mécanisme trouve son utilité lors du changement de tuyère car il est alors aisé de remplacer un profil sans démonter tout le système. Le socle convergent 12 s'insère dans le support principal 1 par l'alésage central et est fixé par vissage. Dans ce socle 12, on vient positionner la tuyère 13 qui sous l'effet de la pression amont et de ressorts de compression, vient se mettre en butée sur le socle convergent 12 assurant l'étanchéité entre le réservoir 22 et la chambre de détente grâce à un où deux joints 14 sur le plus petit diamètre de la partie amont de la tuyère 13. C'est au sein de la partie amont de la tuyère 13 qu'est embarqué le cœur du système d'étanchéité du dispositif. Un tel système d'étanchéité peut être comme décrit ci-après ou de n'importe quel type connu de l'homme du métier. Ce système d'étanchéité permet d'assurer une étanchéité dans le dispositif malgré la présence du hacheur 3 et assure ainsi que les conditions de pression et de débit ne soient pas perturbées par un défaut d'étanchéité. Le principe de base utilisé pour assurer une bonne étanchéité repose sur des joints 15, 16 et 20 en régime dynamique avec frottement, c'est-à-dire en contact avec le hacheur 3 en rotation tout en assurant une bonne étanchéité. La solution technique consiste à utiliser des joints mobiles 15, 16 et 20 se positionnant en butée sur le disque 3. Pour ce faire, on réalise, sur la partie amont de la tuyère 13 au plus près du profil, une empreinte destinée à recevoir une bague en bronze 17 sur laquelle sera monté le joint d'étanchéité principal 15.
Cette bague 17 porte le joint hacheur principal 15 en contact avec le disque 3.
Aussi, pour réduire les fuites indirectes par l'intérieur du logement de la bague 17, on adjoint sur son axe intérieur le joint hacheur secondaire 16. La force de contact, qui conditionne l'étanchéité et le moment de freinage appliqué sur le disque 3, est réglée par un jeu de ressorts de différentes rigidités.
Une étanchéité est assurée dans la partie divergente de la tuyère de manière assez similaire à l'étanchéité décrite ci-dessus : elle intègre la partie divergente de la tuyère 18 et son socle 19 de fixation sur le support principal 2, suivant le même principe que précédemment. Dans ce cas, la tuyère 18 n'est pas mobile, elle est simplement fixée en butée sur le socle divergent 19 par vissage. Dans cette partie en aval du disque, les besoins d'étanchéité n'existent plus. Cependant, en position fermée, la différence de pression entre le réservoir et la chambre, conduit à l'application d'une force sur le hacheur qui peut alors se voiler. Le même type de joint mobile 20 que sur la partie amont de la tuyère est donc utilisé.
De plus, il est à noter l'installation sur la tranche du support principal 2 en face du hacheur 3, d'une pièce destinée à recevoir une fourche optique constituée d'un émetteur et récepteur infrarouge. Un orifice est percé sur le hacheur 3 face au capteur optoélectronique dans une position correspondante au début de l'ouverture de la tuyère. En fonctionnement, le signal recueilli est utilisé pour calculer la vitesse de rotation du disque 3. De manière générale, ce signal est exploité en tant que commande pilotant tout autre type de système synchronisé au Hacheur aérodynamique comme, par exemple, le déclenchement de tirs lasers.
En fonctionnement, le réservoir 23 comporte un gaz sous pression à une certaine température. Ce réservoir 23 alimente la partie principale 22, et plus particulièrement la tuyère amont 13 avec un certain débit. Le hacheur 3 subit une rotation à haute fréquence. Cette rotation à haute fréquence du hacheur 3 alternativement libère et obstrue, à ladite haute fréquence, l'écoulement selon que le trou oblong 26 respectivement est ou n'est pas en vis-à-vis de l'écoulement. Cette obstruction à haute fréquence de l'écoulement par le hacheur 3, par exemple sur une plage de fréquences allant de 10 à 100Hz, permet d'obtenir un écoulement puisé tout en conservant les conditions de pression et de température du réservoir 23, le réservoir 23 n'ayant pas à avoir une taille réduite ni à être rempli en cours d'utilisation. Les exemples ci après donnent des exemples de valeurs et mesures de fonctionnement ou pouvant être obtenues par le dispositif selon l'invention.
Les premiers tests ont été réalisés en utilisant le profil d'une tuyère de Laval fonctionnant en mode continu avec les caractéristiques suivantes : une température moyenne d'écoulement de 24K sur une distance d'uniformité de 33 cm (196 μs), un débit instantané de 100 Standard litres/min, une pression de réservoir de 336 mbar et une pression de chambre de 0.63 mbar. Les essais réalisés à l'aide du hacheur aérodynamique ont permis de générer un écoulement puisé, stable sur une distance de 45 cm (266 μs) à la température de 22K, à une fréquence de pulsation allant jusqu'à 20 Hz pour des impulsions d'une durée de 8 ms. On peut constater que le passage au mode puisé (disque tournant à 10 Hz) a permis une réduction en débit de gaz d'un facteur 8 (de 100 S. I. m"1 en continu à 12 S. I. m"1 en puisé). Il est dorénavant possible de faire fonctionner cette tuyère avec une capacité de pompage de ~ 1300m3/h alors qu'elle nécessitait ~ 10 400 m3/h en CRESU continu.
La figure 3 représente une comparaison de différentes techniques utilisées pour caractériser, en température, le jet puisé obtenu à l'aide du dispositif selon l'invention:
(Sur la figure 3, le zéro de l'axe des abscisses correspond à la sortie de la tuyère de Laval)
• La courbe (a) illustre les résultats issus d'une simulation numérique de type résolution en temps des équations de Navier Stokes en 2-D pour ce profil de tuyère. • La courbe (b) expose les résultats issus de mesure de pression d'impact en tube de Pitot à différentes positions dans l'axe de la tuyère. La particularité de ces mesures Pitot émane du fait que chaque point de la courbe de pression d'impact est obtenu en prenant une valeur moyenne du maximum sur le plateau de courbes représentant l'impulsion de pression d'impact en fonction du temps, identique à celles des figures (e) et (f).
• Les points (c) représentent des mesures de température rotationnelle obtenues par spectroscopie du radical CN (étude de la distribution de population de la branche R du spectre) en fonction de la position de la tuyère.
• Les points (d) représentent des mesures de température rotationnelle obtenues par spectroscopie du radical CN (étude de la distribution de population de la branche P du spectre) en fonction de la position de la tuyère.
- Les graphiques (e) et (f) montrent des impulsions de pression d'impact à différentes positions (le temps en milliseconde est représenté en abscisse).
La figure 4 montre un spectre rovibronique du radical CN obtenu par LIF (Laser Induced Fluorescence) et utilisé pour déterminer la température rotationnelle de l'écoulement.
Les résultats exposés démontrent un excellent accord entre le jet obtenu en mode puisé à partir du hacheur aérodynamique comparé à celui issu d'un écoulement CRESU classique.
La qualité des écoulements obtenus par ce dispositif est excellente car bien établis sur des temps allant de la centaine de microseconde à la milliseconde. Elle peut même être supérieure au cas stationnaire par réduction des turbulences dans le réservoir. Diverses modifications peuvent être apportées au hacheur aérodynamique, en vue de son adaptation à une géométrie différente de celle d'une tuyère de Laval ou à des besoins de réduction en taille du système. La description donnée constitue une base à la solution technique et un exemple non limitatif par rapport aux côtes du système et aux matériaux utilisés. L'invention est un appareillage indépendant et compact qui se fixe sur le réservoir d'une installation globale, ce qui la rend facilement transportable et adaptable.
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Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'écoulement puisé comportant
- Une injection continue de gaz dans le dispositif alimentée par un réservoir (23),
- un moyen d'obstruction (3) de l'écoulement,
- le moyen d'obstruction étant combiné à un système d'étanchéité dynamique de manière étanche autour de l'écoulement,
caractérisé en ce que le moyen d'obstruction ouvre et ferme par obstruction l'écoulement à des fréquences élevées.
2. Dispositif d'écoulement puisé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen d'obstruction est un disque mécanique rotatif ou à mouvement alternatif permettant d'ouvrir et de fermer l'écoulement.
3. Dispositif d'écoulement puisé de gaz selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'un axe de rotation du disque ne passe pas par un axe découlement du flux, le disque comportant
- un trou situé sur le disque à une distance du centre du disque égale à une distance séparant le centre du disque de l'axe d'écoulement,
- une coupe dans un bord dudit disque, ledit bord étant opposé au trou par rapport au centre du disque.
4. Dispositif d'écoulement selon la revendication 3 caractérisé en ce que le trou est de forme oblongue.
5. Dispositif d'écoulement selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le système d'étanchéité dynamique comporte un joint principal, un joint secondaire, une bague amont et un joint compensant les variations de mouvement du hacheur garantissant les conditions de contact entre le hacheur et les composant mécanique profilant l'écoulement
6. Dispositif d'écoulement selon l'une des revendication précédentes caractérisé en ce que les géométries du système d'étanchéité dynamique et du moyen d'obstruction sont adaptées aux tuyères de Laval.
7. Dispositif d'écoulement selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les géométries du système d'étanchéité dynamique et du moyen d'obstruction sont adaptées aux tuyères de formes planaires et axisymétriques.
8. Dispositif d'écoulement selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen d'obstruction est une plaque plane en mouvement alternatif.
9. Utilisation d'un dispositif d"écoulement puisé de gaz selon l'une des revendication 1 à 8 pour protéger des fenêtres optiques.
10. Utilisation d'un dispositif d'écoulement puisée de gaz selon l'une des revendications 1 à 8 pour générer des écoulements à très basses températures.
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