Soutenance mémoire
Physique de la bulle de séparation
Comparaison entre soufflerie de type circuit fermé et circuit ouvert
Les souffleries peuvent être classées suivants deux grandes familles:
• circuit ouvert;
• circuit fermé.
Le choix d’utiliser une soufflerie avec une ou l’autre configuration dépendra principalement du niveau de performance de l’écoulement souhaité dans le canal d’essai, de l’espace, du budget et de la puissance fournie par le compresseur. Dans les lignes qui suivent, nous allons définir les avantages et inconvénients conférés au circuit ouvert et fermé.
Un des principaux avantages accordé à une soufflerie ayant un circuit fermé est un contrôle du flux de retour. Lors de son retour, l’écoulement est guidé et asservit en température. La présence de filtres et d’angles équipées d’aubes permet de redresser l’écoulement dans le circuit de retour. Ces composants concèdent une stabilité à l’écoulement et le rendent indépendant des perturbations extérieures comme le soulignent Barlow et al. (1999, p. 27). A contrario, pour une soufflerie ouverte, l’air est puisé directement dans la pièce où est installée la soufflerie. Ainsi, le niveau de performance obtenu dans le canal d’essai sera affecté par la qualité et la variation de température de l’écoulement dans la pièce. Pour illustrer ces propos, nous pouvons comparer l’uniformité de la vitesse moyenne et le taux de turbulence de l’écoulement longitudinal obtenus dans une soufflerie de type circuit fermé avec une soufflerie ouverte. Nous nous appuierons sur l’étalonnage d’une soufflerie circuit fermée de haute performance réalisée par Lindgren et Johansson (2002) et sur les mesures effectuées par Bell et Mehta (1989) dans leur soufflerie circuit ouvert. Ils obtiennent une uniformité de la vitesse longitudinale et un niveau de turbulence respectifs de ± 0.1% (± 0.04%) et de ± 0.25% (±0.15%)
Compresseurs centrifuge
Nous avions au préalable un compresseur centrifuge à disposition dans notre laboratoire que nous avons utilisé pour alimenter notre soufflerie. La détermination et les choix de technologies associées à ce type de compresseur sortent donc du cadre de ce projet de recherche et ne seront malheureusement pas présentés ici.
Bell et Mehta insistent sur le fait que les vibrations mécaniques induites par le moteur et le compresseur sur la structure de la soufflerie entrainent une hausse du taux de turbulence au sein de l’écoulement potentiel. Pour pallier ce problème, les expérimentalistes utilisent des systèmes anti-vibrations. Des exemples de systèmes anti-vibrations sont présentés dans les rapports de Rao et Kariya (1987, p. 4) et de Bell et Mehta (1989, p. 5).
Les compresseurs peuvent être entrainés par un moteur alimenté en alternatif (i.e. MAS).
Cette alternative, comporte des désavantages liés à la radiation électromagnétique inhérente à ce type de moteur. Lindgren et Johansson (2002, p. 39) rapportent que cette pollution électromagnétique entraîne des erreurs de mesures de température. Pour remédier à ce problème ils préconisent d’améliorer la qualité du câblage.
Diffuseur conventionnel, diffuseur grand angle
Le rôle principal du diffuseur est de ralentir l’écoulement avant que celui-ci n’atteigne la chambre de tranquillisation. Comme nous le verrons dans la prochaine partie (Voir, Chambre de tranquillisation, p. 11), cette diminution va s’avérer nécessaire afin de diminuer les pertes de charge dans la chambre de tranquillisation. Il existe deux grandes familles de diffuseur:
• les diffuseurs conventionnels;
• les diffuseurs grand angle.
Les principaux critères de conception des diffuseurs conventionnels sont donnés par Mehta et Bradshaw (1979, p. 445) comme étant :
• le rapport des aires d’entrée et de sortie
• l’angle total de divergence du diffuseur : 2θ;
• la forme du diffuseur;
• la rugosité des parois du diffuseur.
Pour une longueur de diffuseur souhaitée, l’angle total de divergence (2θ) est tributaire du rapport des aires (A). Outre les considérations spatiales et financières, la longueur du diffuseur doit être minimisée. En effet, plus la longueur du diffuseur est importante, plus la couche limite en sortie de celui-ci va être épaisse. L’uniformité de l’écoulement dans le canal d’essai en sera donc affectée. Selon, Bradshaw et Pankhurst (1964, p. 9), les instabilités de l’écoulement dans le canal d’essai peuvent être dues à une séparation totale ou intermittente dans le diffuseur si son angle de divergence (2θ) est trop grand. Hjärne et al. (2003, p. 2) préconisent ainsi que 2θ<6°. Cependant, cette restriction de l’angle de divergence nécessite une longueur de diffuseur importante. Pour illustrer cela, nous pouvons nous référer à l’exemple donné par Rao et al. (1987, p. 4). Ils obtiennent pour A=18 et 2θ=4.3°, une longueur de diffuseur conventionnel d’environ 8m. Bien évidemment, si l’espace du laboratoire est limité, une telle longueur de diffuseur n’est pas souhaitable. Ainsi, pour limiter la longueur du diffuseur tout en assurant un rapport A suffisant, les expérimentalistes ont recourt à des diffuseurs grand angle dont l’angle de divergence 2θ est plus grand que celui des diffuseurs conventionnels.
Chambre de tranquillisation
Comme nous avons pu le voir dans la section précédente (Voir Diffuseur, p. 8), le diffuseur permet de ralentir l’écoulement provenant du compresseur. Une fois décéléré, l’écoulement est dirigé vers la chambre de tranquillisation qui est équipée de composants permettant de diminuer le niveau de turbulence et d’accroître l’uniformité au sein de l’écoulement, Blair et al. (1981, p. 679). Barlow et al. (1999, p. 90) relatent que dans la majorité des cas, ces composants sont plusieurs filtres, communément trois, précédés d’un nid d’abeille.
Cependant, Mehta et Bradshaw (1979, p. 445) soulignent que ces filtres génèrent des pertes de charge proportionnelles au carré de la vitesse moyenne. Cette constatation justifie la nécessité de placer le diffuseur en amont de la chambre de tranquillisation afin de ralentir la vitesse moyenne de l’écoulement.
En 1989, Bell et Mehta réalisent une étude poussée de l’influence des filtres sur l’écoulement. Ils soulignent notamment que la configuration et le choix du nid d’abeille et des filtres sont tributaires du niveau de performance souhaité à l’intérieur du canal d’essai (Bell et Mehta, 1989, p. 7). Ainsi, la difficulté résulte dans la détermination d’un compromis entre niveau de performance souhaité dans le canal d’essai et augmentation des pertes de charge associées aux filtres. Dans un premier temps, nous allons définir le rôle et les principales caractéristiques du nid d’abeille. Dans un second temps, nous effectuerons une étude similaire pour les filtres.
Expérience de la marche descendante
En 1972, Brederode et Bradshaw génèrent une bulle de séparation soumise à un brusque gradient de pression adverse obtenu par l’intermédiaire d’une marche. Plus récemment, Song et Eaton (2004) présentent une manière de créer une bulle de séparation proche de celle de la marche descendante. En effet, ils obtiennent (2004, p. 642) une séparation par l’intermédiaire d’une rampe à pente douce générant un gradient de pression adverse plus étendu et donc un écoulement de retour plus faible. Le but de ce dernier projet étant de comprendre l’influence du nombre de Reynolds sur la géométrie de la bulle. De nombreux autres auteurs ont étudié la marche descendante et les caractéristiques de turbulence au sein de ce type d’écoulement. Malheureusement, une étude exhaustive de cette littérature sort du cadre de ce mémoire. Nous concentrerons donc notre analyse de ce cas sur l’étude de Brederode et Bradshaw (1972), qui ont travaillé dans une soufflerie très similaire à la nôtre.
Expérience de la surface plane surmontée d’une paroi flexible
Patrick (1987) a mis en place un banc d’essai permettant de créer une bulle de séparation sur une surface plane soumise à un gradient de pression adverse (i.e. divergent) suivi d’un gradient de pression favorable (i.e. convergent). En 1998, grâce à l’évolution de la puissance de calcul, Na et Moin (1998) calculeront cette expérience par simulation numérique directe, nous fournissant ainsi des résultats instantanées dans la bulle de séparation. Les avancées dans le domaine de l’imagerie numérique ont permis à Angele et Muhammad-Klingmann (2006), de venir confirmer les résultats numériques obtenus par Na et Moin (1998) en réalisant un banc d’essai semblable à celui de Perry et Fairlie (1975b). Cette fois ci, ils réalisent expérimentalement des mesures instantanées dans la bulle de séparation à l’aide d’un système de vélocimétrie par image de particules (PIV). Durant cette même année, Maciel et al. (2006) simulent de manière expérimentale le comportement d’une couche limite turbulente le long d’un profil d’aile jusqu’au décollement. Cependant, ils n’obtiennent pas de recollement. Enfin, en 1995, Alving et Fernholz (1995), proposent une approche plus originale en créant une séparation axisymétrique permettant de limiter les effets tridimensionnels dans la bulle (Voir Effets tridimensionnels, p. 27).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Introduction
1.2 Conception des souffleries basses vitesses
1.2.1 Comparaison entre soufflerie de type circuit fermé et circuit ouvert .
1.2.2 Configuration d’une soufflerie boucle ouverte munie d’un compresseur soufflant
1.2.3 Compresseurs centrifuge
1.2.4 Diffuseur conventionnel, diffuseur grand angle
1.2.5 Chambre de tranquillisation
1.2.6 Convergent
1.2.7 Canal d’essai
1.3 Physique de la bulle de séparation
1.3.1 Expérience de la plaque plane avec bord d’attaque épais
1.3.2 Expérience de la marche descendante
1.3.3 Expérience de la surface plane surmontée d’une paroi flexible
1.3.4 Décollement
1.3.4.1 Définitions et terminologie du décollement
1.3.4.2 Caractéristique du décollement obtenu par l’expérience de la surface plane surmontée d’une paroi flexible
1.3.5 Zone de retour de flux
1.3.5.1 Définitions et terminologie de la zone de retour de flux
1.3.5.2 Effets tridimensionnels
1.3.5.3 Élimination des effets tridimensionnels
1.3.6 Recollement
1.3.6.1 Définitions et terminologie du recollement
1.3.6.2 Caractéristique du recollement
1.4 Topologie de l’écoulement pariétal
1.4.1 Visualisation de l’écoulement pariétal
1.4.2 Classification des points critiques particuliers de la topologie
1.4.2.1 Définitions du point régulier et singulier
1.4.2.2 Présentation des points singuliers
1.4.3 Règles topologiques de la bulle de séparation
1.5 Visualisation et mesures quantitatives de l’écoulement
1.5.1 Visualisation de l’écoulement
1.5.2 Mesures quantitatives
1.5.3 Erreurs de mesures
CHAPITRE 2 MISE EN PLACE DE LA SOUFFLERIE
2.1 Critères de conception initiaux
2.2 Compresseur
2.3 Diffuseur grand angle et pré-diffuseur
2.4 Chambre de tranquillisation
2.5 Convergent
2.6 Canal d’essai
CHAPITRE 3 INSTRUMENTATION
3.1 Étalonnage des différents capteurs
3.1.1 Capteurs différentiels de pression
3.1.2 Thermocouple
3.2 Mise en place d’une vitesse de référence
3.3 Mesure du coefficient Cp
3.4 Mesure de vitesse et de pression totale
3.5 Contrôle du bras vertical
3.6 Détermination des paramètres d’acquisition
CHAPITRE 4 ERREURS DE MESURES
4.1 Détermination de l’erreur de mesure totale de U*
4.2 Détermination de l’erreur de mesure totale de Ptot*
4.3 Détermination de l’erreur de mesure totale de Cp
CHAPITRE 5 TECHNIQUES DE VISUALISATION UTILISÉES
5.1 Brins de laine, arbres à brins de laine, long brin de laine
5.2 Film d’huile
CHAPITRE 6 MESURES PRÉLIMINAIRES
6.1 Validation de la mise en place globale de la soufflerie
6.1.1 Détermination des pertes de charge totales théoriques dans notre soufflerie
6.1.2 Détermination des pertes de charge totales expérimentales dans notre soufflerie
6.1.3 Validation du modèle théorique des pertes de charge totale
6.2 Validation des composants du canal d’essai
6.2.1 Détermination et validation de l’inclinaison de la paroi inférieure de la section de développement de la couche limite turbulente
6.2.2 Détermination de la hauteur et validation de l’efficacité du déclencheur
6.2.3 Validation de l’efficacité et détermination des pertes de masse allouées aux pièges à couche limite
6.2.4 Influence du tube de Pitot-statique, placé en amont du canal d’essai, sur l’écoulement dans la zone de développement
CHAPITRE 7 ÉTALLONAGE SOUFFLERIE
7.1 Mesures réalisées dans le plan (O, x, y)
7.1.1 Mesures du coefficient de pression statique Cp
7.1.2 Visualisation de l’écoulement à proximité du décollement par l’intermédiaire du long brin de laine
7.1.3 Profil de U*=f(y)
7.1.4 Profil de Ptot*= f(y) dans la zone de retour de flux comparaison avec U*=f(y)
7.1.5 Évolution de la délimitation entre écoulement rotationnel et irrotationnel dans le plan (O, x, y) le long de la section d’essai
7.2 Présentations des mesures latérales effectuées dans notre canal d’essai
7.2.1 Mesures de Cp latérales
7.2.2 Zone de développement de la couche limite : profil de U*
7.2.3 Zone de retour de flux
7.2.3.1 Visualisation de l’écoulement à proximité du décollement
par l’intermédiaire du long brin de laine
7.2.3.2 Profil de U* dans la zone de retour de flux
7.2.4 Zone de redéveloppement : profil de U*
7.2.5 Évolution de la délimitation entre écoulement rotationnel et irrotationnel en 3D le long de la section d’essai
CHAPITRE 8 VISUALISATION DE LA TOPOLOGIE DE L’ÉCOULEMENT PARIÉTAL
8.1 Ligne de décollement et topologie associée
8.2 Ligne de recollement et topologie associée
8.3 Topographie générale de notre bulle de séparation
8.4 Dimensions pariétales moyennes de la bulle
CONCLUSION
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