Recréer des ondes de choc supersoniques en mouvement
Les moteurs sont généralement composés d’un compresseur, d’une chambre de combustion et d’une turbine. L’air traverse ces composants dans cet ordre, fournissant l’oxygène nécessaire au processus de combustion. «L’analyse a montré que le remplacement de la chambre de combustion traditionnelle par une chambre de combustion à détonation rotative pourrait considérablement augmenter l’efficacité globale de la machine», explique Lukas Inhestern, coordinateur du projet ROTRANS, de l’université Purdue aux États-Unis.
Le potentiel des chambres de combustion à détonation rotative
Le concept de base d’une chambre de combustion à détonation rotative est qu’elle brûle le carburant par le biais d’une onde de détonation se propageant à une vitesse supersonique, ce qui entraîne non seulement une augmentation de la température mais aussi de la pression. Les principaux inconvénients sont toutefois les écoulements en régime supersonique et subsonique. Plus important encore, les ondes de choc supersoniques (lorsque la densité ou la température du gaz change soudainement) peuvent considérablement affecter les performances du moteur et créer des instabilités. «La clé pour exploiter le potentiel des chambres de combustion à détonation rotative pour la production d’énergie est de concevoir une turbine capable de fonctionner efficacement avec des flux d’air subsoniques et supersoniques», explique Lukas Inhestern.
Recréer une formation de choc supersonique
Le projet ROTRANS, coordonné par la TU Berlin en Allemagne et soutenu par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie, entendait mieux comprendre la transition de l’écoulement subsonique à l’écoulement supersonique, afin de faciliter la conception de moteurs à combustion à détonation rotative plus robustes et plus efficaces. Tout d’abord, des équations physiques permettant de déterminer les pertes aérothermiques au cours de ce processus ont dû être établies afin d’évaluer ce processus. «Ensuite, nous avons réduit la complexité du problème», ajoute Lukas Inhestern. «Au lieu d’utiliser des simulations complexes en 3D, nous avons recouru à des simulations 1D. Cette approche nous a permis d’identifier le mécanisme moteur de ce processus.» À partir de là, Lukas Inhestern a pu recréer des conditions d’écoulement d’air supersonique de manière simple mais efficace. «Nous avons utilisé une fine pellicule d’eau pour reproduire un écoulement supersonique», explique-t-il. «Vous pouvez le constater chez vous: lorsque l’eau du robinet de votre cuisine touche l’évier, elle forme une fine pellicule.» Au lieu d’un évier de cuisine, Lukas Inhestern et son équipe ont construit une installation dotée d’un plan en verre de quatre mètres carrés. L’eau est délicatement libérée sur la surface, créant ainsi une fine pellicule d’eau. Une série de pompes et de réservoirs assure la circulation continue de l’eau. L’étape suivante a consisté à concevoir un bras entraîné par une poulie qui se déplace d’un côté à l’autre de la section d’essai. En brisant à peine la surface, ce mouvement reproduit les ondes de choc supersoniques que Lukas Inhestern cherchait à recréer.
De nouvelles technologies pour réduire les émissions de gaz à effet de serre
Les expériences réalisées à l’aide de cette installation ont corroboré ce que Lukas Inhestern et son équipe avaient prédit dans leurs modèles de simulation simplifiés. Elles suggèrent que la surface de la nappe de ROTRANS pourrait être un moyen très efficace et efficient de tester l’écoulement supersonique et d’évaluer l’efficacité des nouvelles conceptions de moteur. «Comprendre le comportement des ondes de choc supersoniques aidera les concepteurs de turbines et de compresseurs supersoniques», explique-t-il. «Les concepteurs de dispositifs de dynamique des fluides peuvent tirer profit de la formulation des pertes aérothermiques.» Ces résultats pourraient dès lors encourager le développement de moteurs plus efficaces et plus sûrs. Pour réduire nos émissions de gaz à effet de serre, nous avons besoin de nouvelles approches et technologies. Il s’agit d’un domaine clé auquel le projet ROTRANS peut grandement contribuer.
Mots‑clés
ROTRANS, supersonique, subsonique, moteurs, ondes de choc, combustion, émissions
