Experimental Investigation of Linear Angled Arrays of Micro Jets in a Crossflow for Gas Turbine Applications

La combustion de l’hydrogène reste limitée industriellement en raison du risque de retour de flamme en configurations prémélangées. Les flammes de diffusion constituent une alternative plus sûre, au détriment des émissions. Le concept de micromélange, basé sur l’injection de micro-jets en écoulement transverse, vise à améliorer le mélange tout en limitant la formation d'oxydes d'azote. Bien que les jets en écoulement transverse soient largement étudiés, les réseaux de multiples micro-jets restent principalement limités à des géométries simples, telles que quelques jets disposés côte à côte ou l’un derrière l’autre. Dans ce contexte, cette étude analyse le mélange d’un alignement d'une ligne de huit jets en écoulement transverse, en faisant varier l’angle d’alignement entre l'écoulement et la ligne de jets. Quatre angles sont considérés (30°, 45°, 60° et 90°), ce dernier servant de référence. Des jets de diamètre 0.7 mm injectent de l’hélium, faible densité pour approcher le comporte U∞=1.2 m/s (Re∞=4060). Les expériences couvrent des rapports de vitesse R=6 à 13.5, un rapport de densité constant S=0.14, des rapports de quantité de mouvement J=5 à 25 et des nombres de Reynolds de jet Rej=42 à 96. Les résultats montrent que le rapport de flux de quantité de mouvement J et l’angle de la ligne de jets gouvernent fortement la dynamique jet–écoulement transversal. L’augmentation de J et la diminution de l’angle renforcent la pénétration des jets et déplacent progressivement le régime dominant d’un comportement de type refroidissement par jet mural vers un mélange plus intense, tout en entraînant la dégradation progressive des grandes structures cohérentes en turbulence à plus petite échelle. La pénétration des jets suit la loi d’échelle attendue en Rd, mais l’angle du réseau introduit un effet de bouclier : des angles plus faibles réduisent l’obstacle frontal pour l’écoulement transversal, ce qui conduit à une pénétration plus profonde et à des interactions jet–jet plus marquées. Les caractéristiques du mélange résultent de l’interaction entre ces interactions et la paire de vortex contrarotatifs (CVP). Cette dernière domine le mélange dans le champ lointain, tandis que le mélange proche est retardé par la persistance du cœur des jets marquée pour des J élevés et des angles faibles. En conséquence, la dilution dans le champ lointain est améliorée pour les faibles angles, avec des concentrations plus faibles et une homogénéité spatiale plus uniforme. L’analyse temporelle montre également que les faibles angles suppriment les instabilités périodiques de la couche de cisaillement, conduisant à un mélange plus stable dans le temps, tandis que la CVP reste temporellement stable et favorise un mélange soutenu.