L'adhérence de la glace

L’adhérence de la glace

DESCRIPTION DU MATERIEL

Description de la soufflerie

Les essais sont réalisés dans la soufflerie réfrigérée du LIMA schématisée à la Figure 2-1. Elle fonctionne en boucle fermée et à faible vitesse. La soufflerie peut opérer jusqu’à des températures de -20 °C en refroidissant l’air à l’aide d’un éehangeur thermique de dimension 1,6 m par 1,6 m. L’échangeur est composé d’un compresseur de 35 HP (26,1 kW) alimentant une pompe puisant dans un réservoir de 205 L de glycol. L’air dans la soufflerie circule grâce à un ventilateur d’un diamètre de 0,927 m actionné par un moteur de 50 HP (37.3 kW) permettant un flux d’air de 31 kg/s dans la section d’essai.
La rampe de gicleurs, visible sur la Figure 2-2 a été conçue au LIMA, elle est composée de neuf gicleurs pneumatiques. Ce montage permet d’atteindre des teneurs en eau liquide de l’écoulement variant de 0,15 à 28 g.nf3 dont les gouttelettes ont des diamètres moyens variant entre 16 et 50 um. Afin d’homogénéiser verticalement la teneur en eau dans la section d’essai, la rampe de gicleurs effectue un balayage vertical.La section d’essai a une dimension de 1,7 m x 0,914 m x 0,762 m. Les parois de la section d’essai sont composées de deux couches de Lexan d’une épaisseur de 12,7 mm chacune.
Elle est la partie de la soufflerie dans laquelle est installé le SRB-II. Afin de garantir des résultats cohérents et transposables à des conditions de givrage naturelles, il a été nécessaire d’effectuer de nombreux essais d’étalonnage pour vérifier la répartition de la vitesse, de la température, de la teneur en eau et la taille des gouttelettes. Cette caractérisation a été effectuée dans l’optique d’être habilité à effectuer des essais dans le domaine de l’aéronautique.
Les principaux capteurs de mesure soit les thermocouples et les prises de pressions statiques sont installés dans la section d’essai et à l’entrée du convergent.
La soufflerie a été étalonnée et ajustée pour correspondre aux recommandations des rapports SAE ARP 5905 Calibration and Acceptance of Icing Wind Tunnels et SAE AIR 4906 Droplet Sizing Instrumentation Used in Icing Facilities.

Description du Spinning Rotor Blade deuxième version (SRB-II)

Le SRB-II est un modèle réduit d’un rotor d’hélicoptère. Il est composé d’un moteur, d’un arbre de transmission, d’un moyeu et de deux pales. Le SRB-II a été développé au LIMA.

Le moteur électrique

Le moteur électrique développe une puissance de 10 HP pour une vitesse de rotation de 3 600 RPM. Un capteur mesurant l’impulsion à chaque tour a été installé directement sur l’arbre de sortie du moteur afin de déterminer la vitesse de rotation. La consommation énergétique du moteur est mesurée à l’entrée de la commande de puissance, elle permet d’observer l’évolution de la puissance consommée durant le givrage.

Le rotor

Le rotor de la Figure 2-4 provient d’un modèle réduit téléguidé pour les loisirs de la compagnie Hawkpro. Le rotor possède deux pales. Certaines modifications ont été effectuées pour réaliser les essais dans les conditions souhaitées. Par exemple, l’arbre principal en acier a été remplacé par un arbre en acier inoxydable de 12,7 mm et les mains qui maintiennent les pales ont également été modifiées pour permettre d’augmenter la vitesse de rotation initialement prévue sur le modèle de loisir. Avec le rotor, il est possible de faire varier l’angle de calage entre -10° et 10°. La variation de l’angle s’effectue manuellement et ne peut donc être effectuée pendant les essais.

Les pales

Les pales utiiisées pour le SRB-II, présentées sur la Figure 2-5 sont en aluminium Al 6063- T6. Le profil de la pale extradée est un NACA-0012. Les pales mesurent 315 mm entre l’extrémité et l’axe de la fixation, pour une corde de 69,64 mm. Lorsqu’elles sont installées, l’extrémité de la pale se trouve à une distance de 390 mm de l’axe de rotation Le montage expérimentale ainsi réalisé permet d’obtenir une vitesse en bout de pale de 131 m/s, soit pour la température de -15 °C, 0,41 Macfa et un nombre de Reynolds de 0,77 x 106

PROGRAMME D’EXPLOITATION INFORMATIQUE

Un système d’acquisition de données est utilisé pour enregistrer les données. Celui-ci se compose d’une carte d’acquisition National Instrument de 100 kb/s avec 16 canaux et d’un ordinateur AMD Sempron 3400 équipé d’un processeur de 1.8 GHz. Les paramètres enregistrés sont : la vitesse de l’écoulement et la température dans la soufflerie, la puissance consommée par îe moteur du SRB-II, la vitesse de rotation du rotor et le débit d’eau à la sortie du réservoir. Un programme à été développé au LIMA pour faciliter la réalisation des essais, l’interface est visible sur la Figure 2-6.

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Table des matières

Résumé
Remerciements
Tables des matières
Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des symboles
1. Introduction
1.1 Mise en situation
1.2 Objectifs
1.2.1 Objectif principal
1.2.2 Objectifs secondaires
1.3 Méthodologie
1.4 Plan de travail
1.5 Revue de littérature
1.5.1 Le givrage atmosphérique
1.5.2 Simulation de l’accrétion de glace sur les pales d’hélicoptères
1.5.3 L’adhérence de la glace
2. Description des essais
2.1 Description du matériel
2.1.1 Description de la soufflerie
2.1.2 Description du Spinning Rotor Blade deuxième version (SRB-II)
2.2 Programme d’exploitation informatique
2.3 Procédure expérimentale
2.3.1 Protocole
2.3.2 Paramètres mesurés lors de l’essai
3. Modèle analytique
3.1 Bilan mécanique
3.2 Approximation de la masse
3.2.1 La forme de la glace accrétée
3.2.2 L’épaisseur de glace accrétée
3.3 Contrainte limite en traction de la glace
3.4 Masse volumique de la glace
4. Résultats
4.1 Description d’un essai standard
4.1.1 Acquisition
4.1.2 Début de l’essai
4.1.3 Début de la précipitation
4.1.4 Évolution de la température sur la pale
4.1.5 L’arrêt de l’essai
4.1.6 Calculs relatifs à l’essai
4.2 Caractérisation de la glace accrétée
4.2.1 Formes de la glace
4.2.2 Taille des grains
4.3 Puissance au décrochage
4.4 Adhérence de 1 ‘ accretion de glace en fonction de la température
4.4.1 Masse de glace décrochée
4.4.2 Épaisseur de glace accrétée à 76 % de la pale en fonction de la température
4.4.3 Angle d’accrétion en fonction de la température
4.4.4 Longueur de glace décrochée en fonction de la température
4.4.5 Valeurs d’adhérence obtenues à différentes températures
5. Discussion
5.1 Reproductibilité des paramètres expérimentaux
5.1.1 Répartition des essais
5.1.2 Longueurs de glace décrochée à -15 °C
5.1.3 Épaisseurs de glace accrétée à -15 °C, à 76 % de la pale
5.2 Effet de la température
5.2.1 Forme et épaisseur de glace accrétée en fonction de la température
5.2.2 Masse et longueur de glace décrochée en fonction de la température
5.2.3 Taille des grains de glace en fonction de la température
5.3 Adhérence
5.3.1 Effet de la température sur l’adhérence de la glace sur la pale
5.3.2 Comparaison entre les deux méthodes de mesures
5.3.3 Validité des résultats
5.3.3.1 Comparaison avec la littérature
5.3.3.2 Origines des différences observées
6. Conclusions et recommandations
6.1 Conclusion
6.1.1 Validation du modèle réduit
6.1.2 Influence de la température
6.1.3 Adhérence de la glace sur le substrat
6.2 Recommandations
7. Références
ANNEXES
ANNEXE 1 : CALCUL DE LA DENSITÉ MAXIMALE THÉORIQUE DE LA GLACE
ANNEXE 2 : FICHE DE MESURE POUR L’ENSEMBLE DES ESSAIS SRB-II
ANNEXE 3 : GRAPHIQUE DE RÉSULTATS POUR L’ENSEMBLE DES ESSAIS SRB-II