Soutenance mémoire
Outils de détection de la cavitation
Capteur de pression sonore
Comme il a été dit plus haut, l’implosion des bulles de gaz dans le fluide créer des vibrations dues à l’onde de choc. Ces vibrations vont rendre la machine plus bruyante qu’en fonctionnement normal.
Le but est de mesurer le bruit ambiant induit par la cavitation.
Des chercheurs chinois ont montré que cette méthode n’était pas forcément la plus appropriée.
En effet, le capteur de pression sonore mesure tous les sons de l’environnement. Si l’environnement est changeant il sera difficile d’avoir des mesures précises de la cavitation. Il16 Ibidem.Sera d’autant plus difficile de mettre en évidence la cavitation naissante.17 Cependant dans les centrales hydroélectriques les employés sont capable d’entendre la différence si la machine cavite ou non et donc le capteur de pression sonore devrait aussi être capable d’entendre la cavitation.
Hydrophone
Toutes les techniques citées précédemment sont des techniques dites de mesures non intrusives car il n’est pas nécessaire installées dans les machines hydrauliques. Dans le cas de l’hydrophone, on peut parler de méthode semi-intrusive car il doit être placé dans le fluide, mais pas forcément à l’endroit exact où se situe la cavitation.
L’hydrophone va enregistrer les ondes sonores provoquées par la cavitation. Comme il est placé dans l’eau, il sera capable de détecter très rapidement les premières formations de cavités de vapeur.
Les mêmes chercheurs chinois cité précédemment ont testé cette méthode et ils ont mis en évidence l’efficacité de cette technique.
Leurs travaux ont d’abord montré la capacité de l’hydrophone à détecter la cavitation dans une pompe centrifuge. Cependant ils ont été plus loin. Ils ont déterminé la bande de fréquence la plus adéquate pour avoir des mesures plus précises. Ils en ont conclu que les ondes sonores produites par la cavitation se situaient entre 2000 et 3000 Hz et en dessous de 100 Hz. « The spectra of flow-borne noise influenced by cavitation are mainly concentrated in the frequency band of 2000-3000 Hz and below 100 Hz. »
Cette étude a donc permis de mettre en évidence l’efficacité de ce capteur mais aussi la bandefréquence ou il est le plus performant. Cependant son implémentation dans une centrale peut
être délicate. En effet si l’eau est fortement chargée en sédiment, la réponse en fréquence peut être différente.
Rayons X
La dernière méthode qui va être présentée ici, utilise les rayons X pour mesurer la cavitation. L’objectif de cette technique est de mesurer la densitométrie du fluide. Là où les bulles apparaitront la densité se verra changée et donc la cavitation peut être détectée. Le problème de cette méthode, c’est qu’elle est relativement dangereuse. En effet l’utilisation de rayons X entraine des précautions importantes à prendre de la part de l’utilisateur.
C’est Mr. Harish Ganesh à l’Université du Michigan en 2015 qui a montré l’utilité des rayons X dans la mesure de la cavitation.
Profil NACA0015
NACA est l’ancienne appellation pour la NASA. NACA signifie National Advisory Committee for Aeronautics. Les 4 chiffres qui suivent déterminent le type de profil. Le premier indique la cambrure en pourcent de la corde, le second, la position de la cambrure en dixième de la corde depuis le bord d’attaque et les deux derniers l’épaisseur maximum en pourcent de la corde20.
Pour rappel, la veine d’essai a une longueur de 500mm. Sa section est de 40x80mm et le profil est interchangeable. Cependant pour toutes les mesures effectuées dans ce projet, c’est un profil NACA0015 possédant les caractéristiques suivantes qui est utilisé :
Longueur de corde : 60mm
Largeur de profil : 86.5mm
Ce profil a pour particularité d’être symétrique. Cela implique un même type de cavitation autant sur l’extrados que sur l’intrados.
La pression du fluide qui s’écoule varie en fonction de l’endroit où l’on se situe. Pour chaque profil NACA, on peut connaitre sa courbe de pression minimum. Cette dernière permet de savoir à quelle endroit la pression sera au plus bas et donc, dans notre cas, l’endroit où va naitre la cavitation.
Le coefficient de pression minimum se calcule de la manière suivante :
L’angle d’inclinaison du profil est réglable au moyen d’un petit volant équipé d’un capteur. Cela permet de savoir exactement à quelle angle le profil se trouve. Il est important de noter que pour obtenir l’angle 0°, il a été nécessaire de faire ce réglage à l’œil en s’aidant de la traînée que formait le profil avec une vitesse du fluide élevée, celle-ci étant minimum pour une incidence nulle. La précision du positionnement a été estimée à ±0.5°.
Afin d’avoir la valeur de l’angle d’incidence directement dans l’interface de contrôle du circuit, une petite caméra TRENDnet du type TV-IP314PI a été installée. Elle permet la lecture de la valeur d’angle indiquée par le capteur incrémental et l’enregistrement dans l’interface de contrôle.En plus de l’angle d’incidence du profil NACA, il est important de connaitre la distance qui sépare la paroi de la veine du profil. Celle-ci est ajustable et a été réglé pour une valeur de 1mm.
Le système de rotation du profil NACA est un système Werner de type DT 100/140 avec les caractéristiques suivantes :
INSTRUMENTATION
Pour les prises de mesures, une instrumentation a été mise en place afin d’obtenir les informations les plus précises possibles, dans le but de documenter correctement les mesures réalisées.
Comme présenté dans la méthodologie la première étape sera l’établissement d’une carte de cavitation, soit une carte permettant de déceler le type de cavitation obtenu dans la veine.
Celle-ci consiste en un graphique représentant le paramètre de cavitation en fonction de l’angle d’incidence. Pour ce faire, l’utilisation de la caméra rapide est nécessaire afin de déterminer de manière visuelle la cavitation qui se forme sur le profil. Suite de quoi les mesures avec les capteurs pourront être réalisées mais toujours en utilisant la caméra afin de visualiser ce qu’on mesure.
Dispositif pour la caméra rapide
La caméra utilisée pour les prises de vidéos est une Phantom V411. Il s’agit d’une caméra rapide permettant la visualisation d’un phénomène en slow motion. Toutes les spécifications techniques sont visibles en annexe (Cf. annexe 2) mais voici les principales :
Il faut prendre beaucoup de temps pour mettre en place l’éclairage. Deux panneaux LED ainsi que la lampe LED Constellation 120 ont été utilisées. Les deux panneaux sont posés sur le dessus de la veine de manière à ne pas avoir de reflets, tandis que la Constellation est mise sur le côté. Les panneaux LED sont alimentés en 24V par deux alimentations placées sous le banc de test.
La structure du banc de test à due être quelque peu modifiée afin de pouvoir positionner la caméra correctement. Grâce à ces modifications, les prochaines visualisations seront réalisées sans difficulté.
La caméra est montée sur un trépied dont la position a été marquée au sol pour pouvoir remonter le dispositif au même endroit plus facilement.
L’enregistrement vidéo est réalisé depuis un ordinateur qui est connecté à la caméra. C’est avec le logiciel Phantom que les ajustements techniques tel que le temps d’exposition ou la taille de l’image sont réglés.
Pour la première étape, qui est l’établissement d’une carte de cavitation, la caméra est utilisée de manière indépendante. Par la suite, lorsque les mesures avec les capteurs seront faites, la vidéo pourra être stoppée depuis l’interface LabView.
Description et disposition des capteurs
Pour les mesures non intrusives de la cavitation 2 capteurs seront principalement utilisés. Ces 2 capteurs sont :
Un accéléromètre
Un microphone
Un troisième capteur est installé, un capteur d’émission acoustique, mais pour des raisons de temps, les données de celui-ci n’ont pas pu être analysées.
Le but est de voir quels types de signaux la cavitation va donner.
Accéléromètre
L’accéléromètre est un capteur permettant la mesure d’accélérations. Il est capable de détecter les vibrations subies par une structure. Celui utilisé est un accéléromètre IEPE 3 axes Kistler (Cf. annexe 3) dont les caractéristiques principales sont les suivantes :
Dénomination : Kistler 8766A100AB
Technologie : Piézoélectrique, avec un cristal PiezoStar®
Plage de mesure : ± 100g
Signal de sortie : ± 5 VDC
Il a été vissé et collé sur le profil NACA. De cette manière, il est placé au plus près du phénomène et sera plus apte à le détecter L’image ci-dessus montre l’emplacement de l’accéléromètre. On remarque que ces 3 axes ne correspondent pas aux axes du profil NACA. Cela n’a aucune incidence sur les mesures.
Cependant, il faut être attentif à ne pas inverser les axes lors de la lecture des fichiers.
Microphone
Le microphone permet d’enregistrer les sons produit par la cavitation. Son utilisation a pour but de déterminer si il est capable de distinguer le bruit de la cavitation par rapport aux bruits de l’environnement qui l’entoure.
C’est un microphone G.R.A.S 46 AE (Cf. annexe 4) dont les caractéristiques principales sont les suivantes :
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Table des matières
1. NOMENCLATURE
2. INTRODUCTION
2.1. Cadre du projet
2.2. Objectif
2.3. Cahier des charges
2.4. Méthodologie
3. ETAT DE L’ART SUR LA CAVITATION
3.1. La cavitation
3.1.1. Cavitation par poche
3.1.2. Notion de couche limite
3.1.3. Cavitation tourbillonnaire
3.2. Outils de détection de la cavitation
3.2.1. Détection visuelle
3.2.2. Accéléromètre
3.2.3. Fibres optiques
3.2.4. Capteur de pression sonore
3.2.5. Hydrophone
3.2.6. Rayons X
4. CAS D’ETUDE
4.1. Banc de test
4.2. Veine d’essai
4.3. Profil NACA0015
5. INSTRUMENTATION
5.1. Dispositif pour la caméra rapide
5.2. Description et disposition des capteurs
5.2.1. Accéléromètre
5.2.2. Microphone
5.2.3. Système d’acquisition
5.2.4. Interface LabView
6. RESULTATS
6.1. Plan d’expérience
6.2. Analyse modale
6.2.1. Analyse expérimentale
6.2.2. Analyse numérique
6.2.3. Comparaison des résultats
6.3. Carte de cavitation
6.4. Post-traitement des signaux
6.4.1. Accéléromètre
6.4.2. Microphone
7. CONCLUSION ET PERSPECTIVES
7.1. Conclusion
7.2. Perspectives
8. REMERCIEMENTS
9. BIBLIOGRAPHIE
10. ANNEXES
10.1. Annexe 1 : Protocole d’utilisation
10.2. Annexe 2 : Spécifications de la caméra Phantom V411
10.3. Annexe 3 : Calibration Chart accéléromètre Kistler 8766A100AB
10.4. Annexe 4 : Calibration Chart Microphone G.R.A.S 46AE
10.5. Annexe 5 : Configuration de l’installation
10.6. Annexe 6 : Analyse modale expérimentale dans l’air
10.7. Annexe 7 : Analyse modale expérimentale dans l’eau
10.8. Annexe 8 : Périodogrammes et spectrogrammes de l’accéléromètre
10.9. Annexe 9 : Spectrogrammes du microphone
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