Soutenance mémoire
Unité de puissance : moteur
Les souffleries modernes ont dans leur conception la plus simple quatre composantes de base : une entrée d’air; un diffuseur de transition (section de la soufflerie comportant les filtres), une chambre d’essai et une unité de puissance. La citation suivante explique clairement la nécessité de la dernière composante : If there were no losses, steady flow could continue without the supply of energy from an external agency. In practice, however; losses invariably occur, kinetic energy being dissipated as heat in vorticity, eddying motion and turbulence… Since power must be supplied continuously to maintain the flow, a fourth essential component is involved, namely, some form of driving unit. (Pankhurst et Holder, p. 36) .
Le moteur actuel est couplé au ventilateur par quatre courroies et peut faire tourner le rotor à 1750 tours par minute. Le moteur de 29.8 kWatt (40 HP mécanique) et 67 Ampères est fabriqué par NorthWestern Electric Co. et il est distribué par la compagnie canadienne Beel Controls™. La particularité de ce moteur est qu’il est de type SCR (Silicon-ControlledRectifier), ce qui permet de le brancher à une source de tension conventionnelle de 120 VAC et de convertir cette tension alternative en tension continue. Le mode de fonctionnement de l’unité de puissance concerne l’alimentation du moteur de 29.8 kWatt par une source de tension monophasée. Cette énergie électrique est transformée en énergie mécanique grâce à la force couple créée entre le rotor et le stator du moteur. Les courroies transmettent un mouvement contrôlé aux deux turbines du ventilateur centrifuge, ainsi l’écoulement de l’air est accéléré. L’augmentation des projets en soufflerie et la constante demande d’obtenir des résultats expérimentaux à des vitesses supérieures à 50 m/s ont poussé l’équipe du laboratoire LARCASE à changer le moteur de la soufflerie. Un nouveau « variateur de fréquence » ou « drive » de la compagnie ABB™ (ACS550-U1-052A6) permettra de faire varier la vitesse de rotation du nouveau moteur 44.7 kWatt (60 HP mécanique). Le variateur de fréquence permet l’accélération et la décélération par rampe du moteur, spécialement importante lors du démarrage et de l’arrêt de la soufflerie. Il ne faut pas oublier que les tests en soufflerie se réalisent à une vitesse précise et souvent maximale, donc une accélération contrôlée (par rampe) est primordiale pour éviter des variations de vitesse extrêmes, qui à leur tour produiraient des pointes (pics) de courant très importantes.
La commande du nouveau moteur se réalisera par consigne analogique (valeur du courant électrique envoyé au variateur de fréquence), soit par le clavier opérateur (module externe qui permet de réguler le courant par voie de potentiomètre) ou soit par la carte de communication Labview avec une interface Graphical User Interface (GUI). Le nouveau variateur de fréquence permettra de garder l’écoulement, dans la soufflerie, à une vitesse constante peu importe les variations de charge produites par l’inertie du ventilateur centrifuge et par la variation importante des l’angle d’attaque (plus grande que ±10°) des modèles d’ailes de grande taille, comme l’ATR42 ou l’aile du drone UAV S4 Ethécatl appartenant au laboratoire LARCASE.
Unité de puissance : ventilateur centrifuge
Il existe deux classifications pour les ventilateurs selon la direction de l’écoulement qui traverse la turbine. Ces ventilateurs sont du type centrifuge ou du type axial. Dans un ventilateur centrifuge, l’écoulement du fluide s’effectue parallèlement à l’axe de rotation à l’entrée des prises d’air et perpendiculairement à l’axe de rotation à la sortie du ventilateur. Les ventilateurs centrifuges produisent une pression statique plus élevée que les ventilateurs axiaux, ce qui permet d’accélérer le fluide à de grandes vitesses. Les ventilateurs axiaux sont utilisés principalement pour analyser le déplacement de grands volumes de fluide, par exemple leur déplacement dans les systèmes de ventilation. Le ventilateur centrifuge utilisé par la soufflerie Price Païdoussis est conçu par la compagnie Canadian Buffalo, il comporte une double prise d’air et une double ouïe , Les prises d’air se trouvent de chaque côté du ventilateur et les deux ouïes d’aspiration se trouvent à l’intérieur de la volute. Les prises d’air ont la particularité d’avoir des registres d’entrée avec quinze vantelles fixes qui permettent de créer un mouvement giratoire dans le fluide.
Ce mouvement giratoire est provoqué par le changement de direction des vitesses tangentielles et radiales à l’entrée du ventilateur. À l’intérieur de la volute, on retrouve deux turbines avec vingt-quatre aubes dans chaque turbine .Les deux turbines possèdent des aubes inclinées vers l’avant, dans la direction de l’écoulement, ces aubes ont les caractéristiques d’être de plus petite taille que les autres types d’aubes (aubes inclinées vers l’arrière, aubes radiales et aubes de type ailes d’avion). Pour une même application, les ventilateurs à aubes inclinées vers l’avant tourneront à plus basse vitesse, ce qui augmente significativement l’efficacité du système de puissance. Lors du design d’une soufflerie, Mehta et Bradshaw (1979, p. 443) recommandent l’utilisation d’un ventilateur centrifuge : « Blowers tunnels facilitate large changes in working section arrangements; to cope with the resulting large changes in operating conditions, a centrifugal fan is preferable to an axial one. » De plus, Mehta (1979) mentionne que les ventilateurs centrifuges performent mieux que les ventilateurs de type axial sur une plus grande plage de charges, ce qui est un avantage pour les tests en soufflerie à différentes vitesses et avec différents tailles et formes d’ailes.
Ce ventilateur possède des coussinets anti vibrations et des manchons en caoutchouc, recommandés par Barlow, Rae et Pope (1999) pour réduire les bruits et les vibrations lorsque la soufflerie est en fonctionnement. La circulation d’air se produit par deux prises d’air situées de chaque côté de la salle mécanique, ces entrées d’air ont une surface totale de 9 mètres carrés et isolent la salle mécanique du reste du laboratoire par l’utilisation de filtres très fins et très denses au niveau du maillage, à faible porosité (β = 0,11) car le diamètre moyenne de la poussière naturellement trouvée dans l’atmosphère est de ≈10 µm (Gieré R. et Querol X., 2010).
Diffuseur à grand angle
Le diffuseur à grand angle est la section la plus en amont de la soufflerie (subséquente au ventilateur centrifuge) et la première mesure dans la caractérisation de l’écoulement destiné à la chambre d’essai. Les auteurs Mehta, Brandshaw, Barlow, Rae et Pope s’entendent pour dire qu’il n’existe pas un diffuseur qui va assurer que le fluide contourne bien les parois sans provoquer un décollement local (entre l’écoulement et les parois internes du diffuseur) et qui pourra transmettre toute la pression fournie par le moteur sans qu’il y ait de pertes dans le processus. Pankhurst et Holder confirment et persistent dans la même voie : « Pressure gradient along the walls of a diffuser is necessarily adverse, and it is difficult to avoid local separation or rapid thickening of the boundary layer. Thrus diffusion is never completely efficient. » (1968, p. 51) Un diffuseur avec la bonne géométrie avec un écoulement n’excédant pas la vitesse du son permet de récupérer et rétablir jusqu’à 90 % de la pression fournie par le moteur. Mehta et Bradshaw (1979) ont été les premiers à dresser les critères de conception pour des diffuseurs très efficaces et ces critères ont été déterminés après l’étude et l’analyse d’une centaine de diffuseurs réussis avec un écoulement laminaire sans séparation de la couche limite et avec des taux des turbulences faibles.
Les critères suivants permettent de diminuer le volume (surface et longueur) du diffuseur à grand angle sans compromettre la qualité de l’écoulement qui se rend à la chambre d’essai.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Souffleries subsoniques
1.2 Historique des souffleries subsoniques
1.3 Équations pour les souffleries subsoniques
1.3.1 Conservation de la masse
1.3.2 Nombre de Reynolds
1.3.3 Équation de Bernoulli pour les fluides incompressibles
1.4 Étalonnage des souffleries subsoniques
CHAPITRE 2 CARACTÉRISATION DE LA SOUFFLERIE PRICE-PAIDOUSSIS
2.1 Introduction
2.2 Unité de puissance : chambre mécanique
2.3 Unité de puissance : moteur
2.4 Unité de puissance : ventilateur centrifuge
2.5 Unité de tranquillisation : diffuseur de transition
2.5.1 Diffuseur à grand angle
2.5.2 Filtres redresseurs
2.5.2.1 Coefficient de déflexion (α)
2.5.2.2 Coefficient de porosité (β)
2.5.2.3 Nombre de Reynolds d’un fil (Rew)
2.5.3 Coefficient de perte de charge (K)
2.5.3.1 Méthode K Borda-Carnot
2.5.3.2 Méthode K Weighardt
2.5.3.3 Méthode K Collar
2.5.3.4 Méthode K Eckert
2.5.4 Variation de vitesse
2.5.5 Variation de la turbulence
2.6 Filtres de la soufflerie Price-Païdoussis
2.6.1 Grille métallique
2.6.2 Nids d’abeilles
2.6.3 Écrans
2.7 Unité d’accélération : buse convergente
2.8 Unité d’essai : les chambres d’essai
2.9 Procédure d’étalonnage de la soufflerie Price-Païdoussis
CHAPITRE 3 MESURE DES PRAMETERS AÉRODYNAMIQUE EN SOUFFLERIE
3.1 Introduction aux mesures en aérodynamique expérimentales
3.1.1 Écoulement d’un fluide
3.1.2 Pression dans un fluide
3.1.3 Repère de la pression
3.1.4 Pression statique
3.1.5 Pression dynamique
3.2 Détection de la pression
3.2.1 Mesure de la pression par capteur analogique
3.2.2 Mesure de la pression par capteur électronique
3.3 Détection de la fréquence par des capteurs de pression
3.3.1 Mise en contexte
3.3.2 Introduction aux capteurs de pression piézoélectrique
3.3.3 Capteurs de pression piézoélectrique Kulite™
3.3.3.1 Caractéristiques du capteur XCQ-062-5D
3.3.3.2 Option sur le capteur de pression XCQ-062
3.3.3.3 Montages possibles avec les capteurs Kulite
3.3.3.4 Sources d’erreurs dans la quantification de la pression
3.3.3.5 Sources d’erreur dans la détection de la fréquence
3.4 Détection et mesure des ondes Tollmien–Schlichting en temps réel
3.4.1 Méthode 1 : Détection de la transition par les coefficients de pression
3.4.2 Méthode 2 : Détection de la transition par l’analyse spectrale
CONCLUSION
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