Processus énergétiques en proche-paroi avec des matériaux efficaces – WALL-EE

4,3 milliards de personnes ont utilisé le transport aérien en 2018 et les prévisions annoncent une progression annuelle de 4,5% pour les vingt prochaines années. Ces chiffres suscitent des questionnements quant à l’empreinte carbone du secteur aéronautique (2-4% des émissions totales de gaz à effet de serre). Les organisations Européennes et Internationales imposent donc des normes environnementales très drastiques. A titre d’exemple, la feuille de route de l’ACARE vise une réduction de 75% des émissions de dioxyde de carbone en 2050 (comparées à 2000). Les motoristes aéronautiques sont donc amenés à identifier des solutions favorisant l’émergence de systèmes de propulsion alternatifs peu carbonés. L’hybridation électrique des moteurs aéronautiques apparait comme une solution technologique prometteuse à long-terme, avec une réduction des émissions de dioxyde de carbone allant jusqu’à 50%. La mise en œuvre de cette technologie nécessite de repenser l’architecture complète des aéronefs afin d’y intégrer les systèmes électriques de génération, de couplage ou de stockage. Néanmoins, l’augmentation de la masse du système réduira de facto le rendement propulsif. Par conséquent, le downsizing et l’utilisation de matériaux légers pourraient pallier à ce problème mais fait apparaitre de nouveaux verrous technologiques concernant les transferts énergétiques. Les matériaux des sections chaudes doivent endurer de longues périodes de fonctionnement (> 10 000 heures) dans des conditions de hautes-températures (~2000 K) et hautement corrosives/oxydantes. Malgré les considérables efforts pour repousser les limites de fusion des alliages, il est nécessaire d’utiliser des méthodes de protection thermiques. Malheureusement, ces méthodes ont aussi un effet négatif sur le rendement thermique. Le développement de matériaux à haute températures comme les céramiques à matrice composites (CMCs) s’avèrent être primordial pour obtenir des gains d’efficacité notables.

WALL-EE se positionne à la frontière des domaines de la mécanique des fluides réactif, des diagnostics optiques et de la science des matériaux afin d’initier une recherche expérimentale résolument novatrice et multi-physique pour répondre aux questions relatives aux transferts thermiques et des méthodes de refroidissement avec l’utilisation de matériaux prometteurs. Avec la volonté d’adopter une méthodologie systémique pour améliorer l’état de l’art, WALL-EE s’appuiera sur un dispositif expérimental présentant de nombreux accès optiques, offrant la possibilité d’obtenir simultanément des données détaillées au moyen de plusieurs diagnostics optiques innovants. L’utilisation d’un système de refroidissement simplifié générant un film d’air pariétal permettra d’étudier les mécanismes de contraintes thermiques et de refroidissement d’alliages classiques mais aussi de CMCs. L’aérodynamique et le mélange en proche-paroi seront étudiés par vélocimétrie par images de particules (PIV) et par de l’imagerie de fluorescence planaire induite par laser (PLIF) sur de l’acétone. La PLIF-OH (radical hydroxyle) et PIV donneront des informations sur les interactions entre la zone de réaction et la dynamique de l’écoulement en proche paroi. Enfin, le développement de thermométrie planaire par luminophore (PLIP) couplé à la PLIF à deux couleurs sur l’atome d’Indium (TLAF) apportera de nouvelles corrélations entre les transferts thermiques, la nature du matériau et la stratégie de refroidissement.

Les avancées techniques et scientifiques obtenues dans WALL-EE serviront à établir au niveau mondial une nouvelle thématique sur les processus énergétiques en proche-paroi tant du point de vue de la compréhension des phénomènes multi-physiques que de l’implémentation simultanée de diagnostics optiques avancés. Tremplin pour de futures collaborations académiques et industrielles, WALL-EE contribuera efficacement aux systèmes de propulsion mais aussi pour d’autres applications (génie des procédés, biomédical).