Soutenance mémoire
Validation de l’écoulement dans le canal hydrodynamique
Chapitre 2 PrÈsentation des montages, des instruments de mesure et des incertitudes
Comme indiquÈ dans l’introduction, l’objectif du canal hydrodynamique est d’obtenir un Ècoulement dont le frottement pariÈtal est connu. Ce chapitre prÈsente, dans un premier temps, les caractÈristiques de ce canal hydrodynamique. Ensuite, les di Èrents instruments de mesure utilisÈs ainsi que leurs incertitudes de mesure sont exposÈs.
Description du canal hydrodynamique
Le canal hydrodynamique a ÈtÈ conÁu et construit par Coulaud (2013). Par la suite, de nombreuses modi cations ont eu lieu sur le canal, notamment de Bouajila (2013), Chiriatti (2014) et Carrier (2015) dans le but d’amÈliorer le canal. Par exemple, des nids-d’abeilles ont ÈtÈ ajoutÈs a n de rÈduire la taille des structures turbulentes ou encore l’Ètat de surface des parois a ÈtÈ amÈliorÈ. Di Èrents ÈlÈments sont nÈcessaires pour obtenir un Ècoulement bidimensionnel et pleinement dÈveloppÈ. La gure 2.1 reprÈsente les di Èrents ÈlÈments de la boucle d’essai dont les composants principaux sont le rÈservoir, la pompe, la chambre de tranquillisation et la veine d’essai. Chacun de ces ÈlÈments est dÈtaillÈ dans les paragraphes suivants.
La marque de la pompe qui entraÓne l’Ècoulement dans la boucle est ABB et son modËle est 10L3B. Sa puissance nominale est de 22:4 kW. La roue de la pompe possËde six aubes et une vitesse de rotation maximale Npompe = 1150 tr=min.
Figure 2.1 Vue d’ensemble de la boucle d’essai. Extrait de (Coulaud, 2013)
La chambre de tranquillisation permet d’homogÈnÈiser l’Ècoulement et de rÈduire le taux de turbulence. Les grosses structures sont brisÈes en traversant un nid-d’abeilles. Au passage du nid, la perte de charge est limitÈe si la vitesse est faible, justi ant d’autant plus l’agrandis-sement de la section. Initialement, un premier nid-d’abeilles Ètait placÈ dans le divergent et un second dans la chambre. Cependant, lors des prÈcÈdentes mesures, le nid conique du divergent s’est dÈcrochÈ. Ainsi, il ne reste plus que le nid-d’abeilles de la chambre de tranquillisation. Comme l’objectif du nid-d’abeilles est d’uniformiser l’Ècoulement, cette particularitÈ pourrait avoir des consÈquences sur la symÈtrie de l’Ècoulement entrant dans la partie rectiligne du canal.
Le convergent lie la chambre de tranquillisation au canal dont la section est plus faible. Avec une gÈomÈtrie adaptÈe, il permet Ègalement de rÈduire le taux de turbulence et d’uniformiser l’Ècoulement (Metha et Bradshaw, 1979).
L’ÈlÈment principal, le canal, comprend deux rÈgions. La premiËre, nommÈe zone de dÈ-veloppement, permet de dÈvelopper l’Ècoulement. La seconde, dans laquelle l’Ècoulement est pleinement dÈveloppÈ, s’appelle veine d’essai. Les caractÈristiques gÈomÈtriques du canal sont rÈpertoriÈes dans le tableau 2.1.
Les parois du canal sont en aluminium traitÈ par anodisation. L’anodisation sert ‡ protÈger les parois contre l’oxydation au contact de l’eau. Une couche d’oxydation anodique de 25 µm a ÈtÈ appliquÈe initialement, mais le canal a rapidement prÈsentÈ de la corrosion ‡ certains endroits, sur chaque paroi. AprËs le retrait de l’anodisation de 25 µm, un nouveau traitement de 50 µm a ÈtÈ appliquÈ. MalgrÈ le traitement de surface d’anodisation de 50 µm sur les parois intÈrieures du canal, certaines marques d’oxydation peuvent Ítre observÈes le long de la seule partie visible : la veine d’essai. De plus, la paroi infÈrieure dispose de 13 prises de pression dont l’intÈrieur n’est pas protÈgÈ contre l’oxydation. Ainsi, il est probable que l’intÈrieur des prises de pression ne soit plus parfaitement cylindrique, in uenÁant alors la mesure (Tropea et al., 2007).
Les mesures sont rÈalisÈes dans la veine d’essai du canal hydrodynamique. L’Ècoulement doit Ítre pleinement dÈveloppÈ et bidimensionnel avant l’entrÈe dans cette zone. A n de per-mettre la mesure de vitesse par LDV, les parois latÈrales de la veine sont en acrylique et deux accËs optiques dans le mur supÈrieur sont rÈalisÈs.
Initialement, la paroi infÈrieure de la veine d’essai Ètait pourvue de trois prises de pression. La gure 2.2 reprÈsente la conception de ces prises dont le diamËtre est de 3:175 mm. Ce diamËtre reprÈsente 21 % de la demi-hauteur du canal h. D’aprËs Tropea et al. (2007), un diamËtre aussi important peut impliquer une erreur sur la mesure de la pression statique. Pour permettre une meilleure rÈgression linÈaire et donc une meilleure estimation du gradient de pression, dix prises de pression ont ÈtÈ ajoutÈes pour complÈter les trois prises initiales (Bouajila, 2013). A n de limiter l’e et du diamËtre de ces nouveaux ori ces, leur diamËtre est 4 fois plus faible, soit 5:3 % de la demi-hauteur du canal h. Le tableau 2.2 rÈpertorie la position des 13 prises de pression. Celles-ci sont alignÈes sur l’axe central du canal hydrodynamique ( gure 2.3).
Table 2.2 Position des prises de pression dans la veine d’essai. Les prises de pression 1, 4 et 13 ont un diamËtre de 3:18 mm tandis que les autres ont un diamËtre de 0:79 mm.
L’Ècoulement est ralenti avant de rejoindre le rÈservoir ‡ la surface libre. Un second di-vergent est situÈ ‡ la sortie de la veine d’essai.
Figure 2.3 Illustration de la position des prises de pression dans la veine d’essai. L’Ècou-lement est de gauche ‡ droite. Les positions sont numÈrotÈes sous le canal. La distance entre la derniËre prise de pression et le dÈbut du divergent est reprÈsentÈe en rouge. Les distances sont exprimÈes en mm.
La tempÈrature du circuit est rÈgulÈe pour permettre l’utilisation d’un capteur de frotte-ment pariÈtal ‡ lms chauds pour lequel la mesure du frottement est basÈe sur les Èchanges de chaleur. La puissance ÈchangÈe est rÈgulÈe par la variation du dÈbit massique d’eau froide ‡ l’aide d’une vanne proportionnelle connectÈe ‡ un contrÙleur PID. La tempÈrature est main-tenue constante ‡ l’intÈrieur d’un intervalle de 0:1 C. La puissance de refroidissement de l’Èchangeur est de 25 kW pour une tempÈrature d’entrÈe d’eau froide de 4:8 C et une tem-pÈrature d’eau chaude de 20 C. La puissance de cet ÈlÈment correspond ‡ la somme des puissances de la pompe du circuit et de la pompe utilisÈe pour le refroidissement.
Mesure du dÈbit
La mesure du dÈbit s’e ectue avec un dÈbitmËtre ÈlectromagnÈtique de la compagnie ABB. Ce type de dÈbitmËtre est couramment utilisÈ en recherche et dans l’industrie, car il possËde une grande prÈcision. Son fonctionnement repose sur la loi de l’induction ÈlectromagnÈtique. Un champ magnÈtique, dont l’intensitÈ Bmag est connue, traverse un uide conducteur en mou-vement. Deux Èlectrodes en contact avec l’Ècoulement sont positionnÈes perpendiculairement
‡ celui-ci et au champ magnÈtique. Ainsi, une di Èrence de potentiel entre les Èlectrodes Eelec est directement proportionnelle ‡ la vitesse moyenne dÈbitante Um du uide et ‡ la distance entre les Èlectrodes l : Eelec = BmagUml :
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Table des matières
1 Introduction
1.1 Contexte de l’étude
1.2 L’écoulement de Poiseuille plan
1.3 Revue de littérature pour la vérication d’un canal pleinement développé bidimensionnel
1.3.1 Mesure du frottement pariétal d’un écoulement pleinement développé
1.3.2 Inuence de la géométrie du canal dans la littérature
1.3.3 Inuence de la géométrie du canal du LAMH
1.4 Problématique de recherche
1.5 Objectifs spéciques
1.6 Organisation du mémoire
2 Présentation des montages, des instruments de mesure et des incertitudes
2.1 Description du canal hydrodynamique
2.2 Mesure du débit
2.3 Mesure de la pression
2.3.1 Manomètre à colonnes d’eau
2.3.2 Prise de mesure
2.3.3 Incertitudes sur la mesure de la pression
2.4 Mesure de la vitesse
2.4.1 Principe de fonctionnement de la vélocimétrie laser à eet Doppler
2.4.2 Montage LDV
2.4.3 Indépendance des mesures
2.4.4 Incertitudes du montage LDV
2.4.5 Incertitudes des propriétés du LDV
2.4.6 Incertitudes de vitesses
2.4.7 Incertitudes des écarts-types
2.5 Résumé du chapitre
3 Validation des méthodes de mesure
3.1 Gradient de pression
3.1.1 Relation entre le frottement et le gradient de pression
3.1.2 Obtention du gradient de pression
3.1.3 Erreur sur la mesure du frottement à partir de la mesure de pression
3.2 Gradient de la tension de Reynolds
3.2.1 Relation entre le frottement et les uctuations des composantes de la vitesse
3.2.2 Vérication de la vitesse mesurée avec deux paires de faisceaux laser
3.2.3 Étude des uctuations des mesures
3.2.4 Erreur sur la mesure du frottement à partir de la mesure de vitesse
4 Validation de l’écoulement dans le canal hydrodynamique
4.1 Étude du caractère pleinement développé
4.2 Étude du caractère bidimensionnel
4.3 Étude en variables de paroi
4.4 Évolution du frottement pariétal
5 Conclusion
Bibliographie
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