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AN`I`QINE VÉNISSE - Bibliothèque et Archives Canada

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1. 5 5 3 1 Ecoulement MOYEN a puted ae A Ten Same Turbul nce ne dt dus geta an mode neue a Re A 5 54 Conclusos Saut ale RSA a e ie ns des BES 6 Conclusion Bibliographie vil 49 49 50 92 101 Liste des tableaux 2 1 4 1 4 2 4 3 Positions z des tubes de Pitot dans le rep re soufflerie 19 Les diff rentes huiles utilis es pour l ensemencement Donn es extraites du manuel d utilisateur 13 fn ke he oe a A 45 Les diff rentes variables et normalisations du fichier de sortie Res xxx dat 54 R solution spatiale des mesures PIV 62 viii Liste des figures 2 1 2 2 2 3 2 4 2 6 2 7 2 8 2 9 2 10 2 11 3 1 3 2 3 3 Vue d ensemble de la soufllerie Photo de l entr e de la soufflerie chambre de tranquillisation et conver A A OR Od E a EKTA Photo de la sortie de la souflerie 2 0 00 0 000 0 ee eee Photo de la section essal oaa aaa a a Vue de c t de la section d essai d form e b zoom sur la bosse d plancher ad si a a T Aa ee Syst me d aspiration o ld SRE FA OS Sch ma de la section d essai ooo ee ee Vue de dessus du montage en s rie des deux Scanivalves talonnage du convergent Peigne de tubes de Pitot 13 tubes mont sur le syst me de d placement Syst mes de d placement
2. Param tres de couche limite X 483 mm a Epaisseur de d placement b paisseur de couche limite essai 08 A essai 09 3 Visualisation l huile pigment e La direction de P coulement est du haut vers le bas a c t des z gt 0 b c t des z lt 0 Champs de vitesse du coin X 140 mm z gt 0 Les axes du bas et de droite sont au niveau du plancher et de la paroi lat rale droite ix 10 18 19 21 26 26 3 4 3 6 3 7 3 8 3 9 3 10 Profils de vitesse X 483 mm avant de poser le joint entre le dernier cadre et le convergent U U est la vitesse normalis e par la vitesse de l coulement Vext rieur de la couche limite 0 z 204 8 mm A z 171 3 mm V z 137 8 mm gt z 70 8 mm oz 3 8 mm z 63 2 mm o z 130 2 mm x z 163 7 mm z 197 2 mm Nouvelle disposition des grillages Les nombres de mailles par pouce sont dans l ordre de num rotation des grillages 14 20 21 Les diam tres de fil des grillages sont 0 22 0 38 0 26 mm Champ de vitesse du coin X 140 mm z gt 0 apr s les modifications delentree 405 Bose dace E eo pw te ae ENS Ne Ae Champs de vitesse dans les coins inf rieurs X 140 mm apr s les modifications de l entr e o oaa aa paisseur de la couche limite X 483 mm avant modifications des cadres 0 apr s modifications des cadres pr se
3. E e 5 x a os r 7 a 4 15 E a e ea 8 i a 4 a a K 0j a E 2 pe sE p E QE tbe de o DS VE Ss DE tela en EE 300 200 100 0 100 200 300 300 200 100 Q 100 200 300 2 mm nm c d VQ ATP OEE OTE LITT 5000 em et D OR te ek L 4 8 Le 4000 pe L J L e J 6F 3000 Omm j A eS a a 4k o 2000 4 L P s a ah A 1000 E P 0 aia Ge A DL STs DT EW Em OE DE A 0 Lg nn a Oe nil 300 200 100 0 100 200 300 300 200 100 0 100 200 300 z mm z mm e f 2 meas ok one eres 0 005 LEAR LUNA Pis OC a E ae a EL a ED GX Er H 1 0 004 Lak 4 6 le s ana a a B anan a 4 a a 6 A a 3 0 003 a oy H i z Lb 4 c f F 0 002 i 0 5 F 0 001 lt lt liada did A NC EA A A 0 0 300 200 100 0 100 200 300 300 200 100 D 100 200 300 z mm 2 mam Figure 3 17 tat de la couche limite l entr e de la section d essai veine vide X 483 mm a Epaisseur de couche limite b paisseur de d placement c paisseur de quantit de mouvement d nombre de Reynolds bas sur 0 e param tre de forme f coefficient de frottement calcul par la m thode de Clauser O Essai 06 A essai 07 Chapitre 4 V locim trie par image de particules PIV 4 1 Introduction Une mesure par v locim trie par image de particules PIV consiste prendre deux photographies cons cutives du plan de mesure un intervalle de temps At connu Des partic
4. Exemple d image acquise avec le syst me PIV La ligne lumineuse au bas de l image correspond la reflexion du laser sur la paroi en Plexiglas Champs de vitesse instantan e Mesures issues de l acquisition X 1520_ Z 12 La paroi est situ e y 50 mm et x 0 correspond au centre du champ de mesure PIV Ap ah het Woes ie aia eg Champ de vitesse moyenne Des lignes de courant sont trac es pour mettre en vidence la zone de recirculation Mesure issue de l acquisition X 1520 Z 12 La paroi est situ e y 50 mm et x 0 correspond au centre du champ de mesure PIV Re AO db tasa Contours du nombre de vecteurs valides Mesure issue de l acquisition X 1610 Z 0 La paroi est situ e y 50 mm et x 0 correspond au centre du champ de mesure PIV M E ER NL Ste Param tres de couche limite calcul s avec le script ParamGlobaux m O Epaisseur de la couche limite 45 99 A paisseur de d placement 5 o paisseur de quantit de mouvement 0 facteur de forme H av a 12 Exemple de one de quantit s turbulentes a contours de gt ext contours de su lt ul gt b contours de SEES oe de eet de te turbulentes X 1507 mm a profil de 2 b profil de 4 c profil de SZ Exemple de contours du coefficient d coulement de retour ligne pointill e valeur de x en L extrapolation utilis e pour d terminer la position du d
5. essai avait t con ue par Steve Julien lors de son pro jet de ma trise Celle ci a permis d obtenir unc distribution de pression semblable a celle d un profil dans ces conditions Cependant cause du fort gradient de pression adverse les couches limites se d veloppant sur les parois lat rales venaient interagir avec le reste de l coulement La couche limite tudi e pr sentait donc d importantes non uniformit s Afin de pouvoir tudier les caract ristiques de la couche limite en processus de d collement ainsi que des m canismes de contr le du d collement il tait n cessaire d obtenir une couche limite plus uniforme Tout d abord la qualit de l coulement a t v rif e avec la section d essai originale sans gradient de pression Il est apparu alors qu la sortie du conver gent la couche limite pr sentait d j des non uniformit s importantes selon l envergure Celles ci taient principalement dues des tourbillons longitudinaux dans les coins L coulement s est av r tr s sensible aux conditions d entr e Il a donc t n cessaire d effectuer des modifications sur l entr e de la soufMlerie cadres support de filtre nid y d abeille convergent Un d clencheur a t install en amont de la section d essai Les modifications apport es ont permis d am liorer grandement l uniformit en enver gure de la couche limite Un syst me d aspiration a t test pour tenter de diminue
6. sent e la figure 5 22 Le point d inflexion s loigne de la paroi avec l augmentation de x Le dernier profil est situ apr s le point de d collement et on y observe des vitesses moyennes n gatives pres de la paroi traduisant l coulement de retour La figure 5 23 montre les profils de vitesse d ficitaire aux m mes positions nor malis s en utilisant l chelle de vitesse de Zagarola ct Smits 17 Uert 0 6 Les tudes de Song 18 et de Castillo et George 19 semblent montrer que les profils normalis s avec cette chelle se superposent ind pendamment du nombre de Reynolds et des con ditions amont si la couche limite est en quilibre Sur la figure 5 23 on constate que les trois profils les plus en amont ne se superposent pas Ceci est peut tre d au fait qu en 85 amont les calculs de et sont moins pr cis car il y a moins de points de mesure dans la couche limite D autre part on pourrait supposer que parce qu il s agit de positions o le gradient de pression volue tr s rapidement la couche limite n est peut tre pas en quilibre Cette hypoth se est cependant contredite par l tude du param tre A ci dessous En revanche les trois profils les plus en aval concordent tonnamment tr s bien De plus ils pr sentent un point d inflexion leur donnant une allure similaire celles des profils en gradient de pression adverse pr sent s par Castillo et George 19 Castillo et George 19 d mon
7. tester et valider en configuration avec gradient de pression un syst me de contr le des couches limites se d veloppant sur les parois lat rales Ces modifications ont grandement am lior l uniformit en envergure de la couche limite Antoine V nisse Yvan Maciel R sum Le travail de ce m moire a t effectu dans le cadre d un projet de recherche portant sur les couches limites d coll es Ce projet est sous la supervision des professeurs Yvan Maciel et Jean Lemay du Laboratoire de m canique des fluides de l Universit Laval Dans ce m moire sont pr sent s les modifications mesures et r sultats r alis s et obtenus dans la soufflerie couche limite du laboratoire L objectif du projet est l tude de syst mes de contr le du d collement et de la structure de la couche limite tout au long du processus de d collement Ces syst mes de contr le sont des riblets micro rainures longitudinales avec ou sans rugosit s de paroi Pour permettre cette tude une g om trie modifi e de la section d essai a t con ue Celle ci cr e au plancher de la section d essai une distribution de pression similaire celle trouv e sur l extrados d un profil d aile conventionnel grand angle d incidence L coulement subit donc un gradient de pression adverse tr s fort menant la couche limite tudi e au d collement L tude envisag e n cessite que cette couche limite soit uniforme en envergure L objec
8. 12 Le pas en y est donc d environ 3 mm y j 1 y j 3 mm et en x d environ 6 mm a t 2 x i 6 mm Plusieurs pas ont t essay s et ce sont ceux qui se sont r s les moins sensibles au bruit des donn es car celles ci n ont pas t liss es 60 30 Cee pe SAA ep el ee taco Sa eee Para pido ps JS do Eo des Eu Pa La a LC BES m s rd ha pa puts Bl dd ds D pe SL o DO o ai y rn Pid ee tal aL a aa D NS do 2400 1420 1440 1460 1480 1500 1520 1540 1360 1580 1600 X mm Figure 4 11 Exemple de contours du coefficient d coulement de retour ligne pointill e valeur de x en L extrapolation utilis e pour d terminer la position du d collement est repr sent e par la ligne pleine R sultat issu de Pacquisition X 1520_ Z 12 af _ f i 2 f i 2 5 c i 2 7 2 4 11 0g _g9 i 1 9 1 os E Hl Hag 4 12 La m thode utilis e pour l int gration des quations 4 9 et 4 10 est la m thode des trap zes La premi re quation a t int gr e partir de la paroi En revanche l quation de quantit de mouvement a t int gr e partir de la fronti re de la couche limite car le terme de diffusion visqueuse n est pas pris en compte La figure 4 12 pr sente ces comparaisons pour diff rentes positions c les coor donn es x c tant bas es sur une corde de 2 5 m et l origine plac e au niveau du pic de d pression X 795 5 mm comme illustr
9. 4 q y B a a D a C a H a a u F f ja ad 5 H a Bo Oo Ea Ha eo a 7 a B o a ag ei x Ea A o a O E B e a o 8 L a a a a a z T a A a H O s l 818 9 9 a 4 7 4 a a g f or s 870 9 E ZZ 0 9 x0 sro o x m 9po ox TLE Q 9 X a a D 4 a o 1 E A A a A ccoo e e A a A gt Loto id ZI 5000 0 lt ul gt os ert OE profils de Evolution longitudinale des Figure 5 26 o Se pak ee eee E ye LS TT TT N hs a Em y gt pity a il a E m a a a a a gs F m m a so a B i la mas gt noo m ji ooga m o L ES o 0 a O a co Cr a 5 N Cu 3 y oo o Y oo Y Oo g On Senautauueng a pr L a a Fr a i a a a N S a L e R qUu G009800 0 ga o a be O o o L 0go oo o L in i TE ee NEeRE a H a SS r 3 O L 1 ES 000000 oOo g o o a pr o a slot dica add dad a 2 Co SQ ct L A Figure 5 27 volution longitudinale des profils de lt u v gt Ue pop fj 1 L PA PO PC ON VONT URL LS RS DUR DS REED SO DE NE D De ER ES NL DR E LS eg aldo AAA 3 8 gt 8 a a Pn lt ulul gt as ama ext tat ieee ADS Pe oP OA a ee y T EFTTA ETETA A Sus DE a GE 96 0 16 0 2 0 24 xtc 0 12 0 08 2 PEEL ETTTETTTEEETETETETTETETETTETETTETT Q 50 2 a 40 y mm 30 3 20 _ S 20 rada daa We D rs a
10. 8 mm Pitot 5 gt 2 70 8 mm Pitot 6 o z 3 8 mm Pitot 7 2 63 2 mm Pitot 8 o z 130 2 mm Pitot 9 x z 163 7 mm Pitot 10 z 197 2 mm Pitot 11 Profil DNS 10 pour Reg 1410 3 3 Transition mise en place d un d clencheur Une exploration de la couche limite la sortie du convergent l aide d une sonde fil chaud droit a permis de d terminer son tat laminaire ou turbulent Cette exploration a t r alis e l aide d un vernier qu il tait possible de placer diff rentes positions z et permettant un d placement fin en y pour s approcher de la paroi Le support de sonde tige m tallique coulissait dans le vernier afin d atteindre dos stations X comprises entre 7 et 31 75 cm situ es en amont de la section d essai dans le convergent La transition d bute bien en amont de la section d essai En effet X 31 75 cm on observe des ondes de Tollmien Sehlichting et d j de petits spots turbulents En X 7 cm la couche limite est presque totalement turbulente voir figure 3 10 Afin de fixer la position de la transition un d clencheur a t install au plancher du convergent en X 33 cm Il s agit d une rugosit 2D un fil Selon Schlichting 11 pour que la transition ait lieu au niveau du fil il faut respecter la relation suivante E 3 1 d1 o k est le diam tre du fil et dig est l paisseur de d placement 6 au niveau du fil Dans notre cas elle est
11. E PA 005 QI 0 15 0 2 0 25 0 3 0 35 e gt Figure 5 28 Position des maximum des contraintes de Reynolds O Yeul gt mazi Yew2 gt maai Y lt wv gt max 0 5 B a B 0 4 y 0 3 op daria cta Ta ab daa da 0 pride tot eto todo 0 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 0 35 0 4 ae Figure 5 29 Position normalis e par 6 des maximum des contraintes de sis E Ye yl an Yey an Venta omar Reynolds O Suez A Asume o Zxuluemes j T FTP A A A se e eee ea E u a re B TOS LoS Tot a E o L co oe A L poooogogas 3 L 3 D SS A aa pan V PL PIT TTT Tri o co l N S t 6 pooR o o L poe 0008 poopoonoonna 5 N 5 L E pan o so o le a 3 L i 5 gt L ES T F R ogon ekod ooga ona o ELA BS O acti A 2 o wo a z A a el e om g oy Nr Figure 5 30 volution longitudinale des profils de Y ED DEP ON N E AGORA AAA AT ER AE CET FR fu 0 08 98 xtc 9 2 0 16 0 12 Chapitre 6 Conclusion Ce m moire pr sente les modifications effectu es sur la soufflerie basse vitesse du Laboratoire de m canique des fluides ainsi que la qualification de l coulement obtenu Il s agissait d obtenir une couche limite similaire celle qu on retrouve sur l extrados d un profil d aile conventionnel grand angle d incidence Pour cela une g om trie particuli re de la section d
12. anormalement lev es figure 5 25 et 5 26 L augmentation de se fait par palier comme on peut le remarquer sur la figure 5 20a ceci est d la m thode utilis e et la r solution spatiale des mesures voir sce tion 4 3 3 Les volutions observ es sont typiques de celles rencontr es en gradient de pression adverse tel que sur l extrados de profils conventionnels aux grands angles d incidence m me si les valeurs provenant du calcul sur le profils NACA 2412 sont assez loign es Mais ceci est compr hensible tant donn que les conditions initiales 100 IDEN PALIO SEDO NE NES REA PUSO NP peed ee ep HUE ES 1d i Figure 5 18 Contours de coefficient de retour x en en z 0 permettant de d terminer la position du d collement La fronti re de la couche limite est repr sent e par la ligne pointill e sont diff rentes La couche limite dans la soufflerie cst plus paisse donc plus sensi ble au gradient de pression adverse C est pourquoi l augmentation drastique de H et le d collement se font plus en aval sur le profil NACA 2412 Le param tre de forme figure 5 20d augmente de 1 5 a 4 5 avec une valeur de 3 8 au niveau du d collement Cette valeur est relativement lev e compar e celle obtenue par Elsberry et al 5 qui est entre 2 5 ct 2 6 pour une couche limite proche du d collement et par Dengel et Fernholz 4 qui est de 2 85 au d collement x 50 Transitory detachment TD selon Simp
13. c Q mm 10 0 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 0 35 0 4 xie oF Donita le 0 05 0 1 0 15 0 2 i XL 89 120 As aes PO te co D D GE a a a a Ua ae ee Po i ds b 100 st tn ts 80 Stam J 60 a 20 d r P f 4 LT a og o 7 ad 7 o 4 3 a H ie 7 o o sal 9 A ee 4 o pe 7 ER J t x e pls dada idos 0 05 0 1 0 15 0 2 E 0 25 0 3 0 35 0 4 Xe 0 25 0 3 0 35 0 4 Figure 5 20 Evolution des param tres globaux dans le sens de l coulement a Epaisseur de la couche limite 6 b paisseur de d placement 4 c gt paisseur de quantit de mouvement 0 d facteur de forme H e Ro o Mesures PIV caculs sur l extrados d un profil NACA 2412 18 d incidence Re 1 5 x 10 corde 2 5 m 90 28 pr 24 20 U m s ext 16 12 S pta NE A A 0 05 0 1 0 15 0 2 y 0 25 0 3 0 35 MIC 2 ES Figure 5 21 volution longitudinale de la vitesse de l coulement l ext rieur de la couche limite o Mesures PIV cacul partir de la distribution de pression RALES SE ds TT Per me TA 100081 a aay D i 5 A a tr Ea gt E a L a Ba a L a hu Oooo l e o n m Bo L 3 o F i a S ES Bb a F og AR A EN 0 T BF eo Sy ai N s O a fl a L a ES T JopprpgAA0TmTATT0a0An TT 0 22 0 2 ER RER I a a a a 15 DB PATA xic TT CRETE G 1 Figur
14. chacun 8 entr es diff rentielles munies d amplificateurs gains r glables et de filtres elliptiques du 8 ordre passe bas r glables de 10 Hz 25 kHz 2 2 2 Mesure de temp rature La temp rature est mesur e par un thermistor lin aris Omega Thermistor Composite 44018 affleurant l une des surfaces verticales du convergent La temp rature est calcul e selon les donn es du constructeur avec l quation suivante Eout 147 95 79 2 1 in T est en degr Celsius Ein et Eout sont les tensions d entr e et de sortie en Volts La pr cision sur la lecture selon le fabriquant est de 0 15 C 2 2 3 Mesure de pression La pression atmosph rique est lue par l op rateur sur un barom tre au mercure de type Fortin de marque Princo La lecture est corrig e pour prendre en compte les effets de temp rature et de gravit Pour les mesures de pression dans la soufflerie les capteurs utilis s sont des capteurs MKS Baratron 223BD La gamme de ces capteurs est de 1 1 po H20 249 1 249 1 Pa pour un signal de sortie de 1 1 Volts La pr cision donn e par le constructeur est de 0 5 de la gamme 1 25 Pa Pour permettre la mesure de plusieurs pressions l aide d un seul capteur des Scanivalves sont utilis es figure 2 8 Ces appareils sont constitu s de rondelles comprenant plusieurs entr es et une sortie En faisant tourner un disque interne il est possible de mettre en relation
15. corde de 2 5 m ct l origine est plac e au niveau du pic de d pression X 795 5 mm Figure 5 1 G om trie modifi e de la section d essai 66 a i bo PA A A Le e s 15 7 b y 10 C i 5 4 a E 0 ES Hp ep app 0 2 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 x c as a eee es dd pets a lcd as MEDEL EGO Sd Ue Tee a eS ES ol E tn Waa se eee Spode dies dd es pe dE 0 0 5 1 15 Xm 2 2 5 3 3 5 Figure 5 2 a G om trie de la section d essai vue de c t Dimensions en m tres b Distribution de pression sur le plancher de la section d essai R sultats exp rimentaux Re 2 5 x 10 calcul potentiel distribution de pression sur lextrados d un profil NACA 2412 18 d incidence Re 2 5 x 10 corde 2 5 m 5 2 Non uniformit s spatiales Pour pouvoir effectuer des mesures dans la r gion d coulement s par et pour valider correctement les am liorations ventuelles dues aux syst mes de contr le riblets ru gosit s qui seront test s ult ricurement l coulement doit tre bidimensionnel sur une largeur suffisante En premi re approche le caract re bidimensionnel a t v rifi par des visualisations par film d huile au plancher La photo 5 3 montre les lignes de frot tement dans la zone de s paration Il est vident que le d collement est clairement tridimensionnel Il y a convergence des lignes de frotte
16. de Cp tend vers 2 cause de l effet de d placement d aux couches limites qui se d veloppent sur les parois de la section et surtout celle du plancher qui se s pare et ne doit pas rattacher Les courbes de gradient de pression figure 5 17 montrent galement une assez bonne similitude entre les calculs sur le profil NACA et les mesures dans la section d essai Les comparaisons avec le profil NACA sont justes faites titre indicatif le but n tant pas de reproduire V coulement autour de ce profil 80 80 PNG SD dk eee eae eee pe ee ke pds TE ye y 2 31122276 x KF 0 99998858 D Sat E ata tu o 15 20 25 AP Pa Convergent Figure 5 15 talonnage du convergent avec g om trie modifi e 5 5 2 D collement Sur les figures pr c dentes 5 16 et 5 17 on peut estimer la position du d collement aux alentours de X 1600 mm z c 0 3 en cherchant le plateau de pression position o ie 0 Etant donn qu aucune mesure de Cf n a t effectu e la position du d collement est d termin e grace aux mesures de coefficient de retour voir section 4 4 4 Selon Simpson 2 le d collement a lieu pour xp 50 Transitory Detachment et cette position correspond habituellement a la position pour laquelle le frottement s annule Cy 0 Detachment La position du d collement au centre de l envergure z 0 est x c 0 325 figure 5 18 Ce qui correspond la valeur estim e partir de la
17. de celles que l on trouverai sur un profil conventionnel Une vue d ensemble de la nouvelle g om trie de la section d essai est montr e la figure 5 1 et un sch ma de la vue de c t la figure 5 2a La distribution de pression obtenue est satisfaisante comme le montre la figure 5 2b Celle ci pr sente une comparaison des distributions de pression mesur e et calcul e avec un solveur potentiel dans la section d essai ainsi que celle calcul e sur l extrados d un profil NACA 2412 18 d incidence pour un nombre de Reynolds Re 2 5 x 10 Cette derni re est pr sent e titre indicatif seuleument le but n tant pas de reproduire exactement cette distribution de pression Le calcul est effectu avec le logiciel Xfoil 16 qui emploie la m thode des panneaux tourbillons coupl e une m thode int grale de r solution de couche limite 65 La position de la transition est d termin e par un crit re e Les gradients de pression apres le pic de d pression sont assez semblables Ces mesures ont t faites par Julien 1 donc avant le travail effectu sur Ventr c de la soufflerie Les mesures effectu es sur le montage final sont pr sent es la section 5 5 Pour confirmer que l coulement reste attach en tout temps des visualisations avec des brins de laine ont t effectu es au plafond de la section Ces visualisations n ont pas montr d coulement de retour Les coordonn es z c sont bas es sur une
18. de l atelier ainsi que les secr taires du d partement de G nie M canique Merci aussi Corina pour son atten tion Je souhaite aussi remercier Genevi ve pour m avoir encourag et pour plein d autres choses mes parents pour leur soutien et Maxime parce que nagonok Merci galement tout mes coll gues de ma trise pour les fiestas sympathiques et aux velioux d en tre iv Table des mati res R sum court i R sum ii Avant propos iv Table des mati res v Liste des tableaux viii Liste des figures ix Liste des symboles 1 1 Introduction 4 Tel Contexte ers dara So ee de NE 4 t2 Probl matig s ci ewa AA a Ah ay Rook detre 4 1 3 Objectifs et structure du m moire 5 e nia naria de E 6 1 4 1 Gradient de pression adverse et d collement 6 1 4 2 Syst me de contr le des couches limites se d veloppant sur les parois lat rales oseni e Se eee ok Se are 7 2 Installations instrumentation et techniques de mesure 21 Installations arae cee i ee ee eee ee he os 2 1 1 Entr e de la soufflerie anse DA Ah bin d be hrs este 2 1 2 Sortie de la soufllerie sax 26 mue we di heu man 10 ALS Section d essai oS Sik ss fi at M ew eS OS SA Es Je 11 2 1 3 1 Section essai vide a A h OLS 11 2 1 3 2 Section d essai avec gradient de pression 12 2 1 4 Syst me aspiration Dl EIA dure ds Ve 13 Oo Repere soirs pea Ae olin hg ae ie CIEE Bs OS 14 2 2 Inst
19. distribution de pression Cette position est plus amont que celles pr vues et mesur es par Julien 1 Cependant elle se situe suffisamment en aval du pic de d pression pour permettre l tude de la r action du d collement aux syst mes de contr le de la couche limite Il est noter que la position du d collement varie quelque 81 ea aaa ts CS Be OT OU Bt E DE rata dad dal ith a 147 h E J s 4 H 12 a E n 8 one E 6 E 47 y g Saggy A Per ccoo w Jul teen 900000000 FHP the ee aagad a a J i E gt ae En 0 ue 0 3 0 2 0 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 L 11 xtc Figure 5 16 Nouvelle distribution de pression sur le plancher de la section dessai O R sultats exp rimentaux Re 1 5 x 10 distribution de pression sur l extrados d un profil NACA 2412 18 d incidence Re 1 5x 10 corde 2 5 m r sultats exp rimentaux de Julien 1 Re 2 5 x 10 peu avec la position z voir section 5 4 2 5 5 3 Evolutions longitudinales Des mesures PIV r alis es en 6 positions x diff rentes voir figure 5 19 permettent de suivre l volution des diff rentes quantit s dans le sens de l coulement pour 0 07 lt xfc lt 0 379 Toutes ces mesures sont r alis es au centre de l envergure z 0 Les quantit s tudi es dans cette partie sont la vitesse de l coulement potentiel les param tres globaux de couche limite 6 6 0 H les profils de v
20. du d clencheur en revanche Vutilisation de l aspiration rend la couche limite moins uniforme que sans aspiration ceci est particuli rement visible sur l allure des profils figure 3 16 3 5 Caract risation de l coulement Au vu des r sultats pr sent s la configuration a t choisie pour obtenir une couche limite la plus bidimensionnelle possible l entr e de la section d essai non modifi e Les modifications de l entr e de la soufflerie ainsi que la pr sence du d clencheur se sont av r es b n fiques Le syst me d aspiration ne sera pas utilis malgr la diminution de l paisseur apport e cause de ses effets n fastes sur la bidimensionnalit La figure 3 17 montre les volutions transversales en 2 des diff rents param tres de la couche limite Deux essais sont pr sent s pour s assurer de la r p tabilit des mesures En z 3 8 mm l paisseur de la couche limite est inf rieure celle des autres positions Cette propri t est bien visible sur la figure 3 164 Mais aucune am lioration suppl mentaire n a pu tre apport e Le niveau d uniformit de la couche limite nettement am lior par les modifications r alis es a t jug suffisant pour la suite du projet 42 a b parir ET Re po eee ET PE TT 10 RL OIL D ae SL D SO DS D D OS EE VS A AT Lo a k 8 30 L Cos 25 Fe A Gila By nm E Simm 20 A a
21. exploitation est Microsoft Windows 2000 SP 3 L ordinateur est muni de deux cartes r seau 100 Mb s une pour la connexion au r seau de l universit et l autre pour le contr le du SystemHub ainsi qu une carte 1 Gb s pour l importation des images Le laboratoire s est pourvu de trois autres appareils identiques ce qui permet d acc l rer le traitement de donn es en partageant l analyse sur tous les PC Le programme de contr le et d analyse est Dantec FlowManager La derni re version utilis e est la version 4 20 25 48 4 3 Traitement des donn es 4 3 1 Intercorr lation Le traitement des images est r alis avec le logiciel FlowManager Il s agit de faire Vintercorr lation entre les deux images d une paire Dans la majorit des mesures la m thode utilis e est la corr lation adaptative adaptive correlation Cette m thode est plus pr cise qu une simple intercorr lation pour laquelle les fen tres d interrogations sont la m me position sur les deux images La corr lation adaptative permet de d caller la zone d interrogation de la seconde image Ce d calage spatial est d termin par plusicurs it rations d intercorr lation avec des zones d interrogation plus grandes si n cessaire Dans notre cas deux it rations sont effectu es avec unc taille de zone d interrogation de 128 x 128 pixels et une troisi me avec une taille de 64x 64 pixels afin de d terminer le d calage donner la seconde zone d interrogat
22. glables La vitesse de rotation du moteur a t augment e pour minimiser cet effet mais sa puissance est limit e Les mesures sont effectu es une vitesse de r ference Us 9 1 m s ce qui correspond une vitesse de rotation du moteur d environ 1300 rpm Cette vitesse est au dessus de la vitesse nominale du moteur 1170 rpm mais il a t v rifi que la puissance en fonctionnement ne d passe pas la puissance nominale 5 3 1 Caract ristiques des plaques s paratrices Pour diminuer le moins possible l acc s optique a la section d essai les plaques s paratrices sont en Plexiglas L paisseur des plaques est de 19 05 mm 0 75 in Les murs s parateurs sont s par s en quatre parties voir figure 5 8 pour permettre des montages et d montages plus ais s Ils sont positionn s contre des paulements pratiqu s sur les plaques du plancher et du plafond ct maintenus par des cales fix es dans ces paulements sauf pour la partie o le plafond est en agglom r de pin pour in 7 a 61 Plaques s paratrices Pertes ajustables t Pic de d pression X 795 5 mm b 46 a A 3 66 e Figure 5 7 Sch ma de la section d essai a Vue de dessus b vue de c t laquelle des vis maintiennent le mur s parateur La largeur des canaux lat raux est de 31 75 mm 1 25 in et le bord d attaque des plaques demi ellipse de rapport 2 1 se situe 220 mm en amont du pic de d pression X 575 mm voir f
23. homog ne et suffisamment dense dans tout le domaine de mesure La solution retenue quant la position du g n rateur est de le placer sous le moteur la sortie de la soufflerie et d ensemencer toute la salle de mani re homog ne En pla ant le g n rateur l entr e de la soufflerie la consommation d huile est r duite mais il est alors tr s difficile d ensemencer toute la zone de mesure de mani re homog ne pendant un temps suflisamment long pour r aliser les acquisitions 45 4 2 2 Laser et bras optique Le laser utilis est de type Nd Yag fr quence doubl e La longueur d onde du faisceau est donc 532 nm Pour pouvoir fournir deux rayons un intervalle de temps tr s court le laser est muni de deux cavit s La fr quence maximum de r p tition des paires d impulsions est de 15 Hz L nergie maximum d livr e est de 120 mJ Un att nuateur permet de r gler cette puissance la valeur d sir e pour les acquisitions figure 4 2 Des lentilles cylindriques permettent de former une tranche lumineuse partir du rayon cylindrique du laser Il y a deux lentilles diff rentes une avec un angle de divergence de 30 et la seconde avec un angle de divergence de 60 La premi re fut utilis e pour toutes les mesures pr sent es dans ce m moire L paisseur de la tranche peut tre ajust e d environ 1 mm 1 5 cm Un bras optique articul permet de positionner la tranche laser au niveau du plan de mesure Ce b
24. il est n cessaire de prendre des photographies de la cible plusieurs positions parall les au plan de mesures Ainsi V talonnage est r alis non seulement pour les deux directions dans le plans mais aussi pour la direction perpendiculaire au plan 4 2 4 SystemHub Le FlowMap SystemHub est l unit de contr le qui permet de synchroniser acquisition et qui fait le lien entre Pordinateur et les syst mes d acquisition C est elle qui g re le d clenchement du laser et des cam ras Elle est munie dans notre cas d une m moire interne LIFO de 1 5 Go qui permet d acqu rir un grand nombre de paires d images en un temps r duit 560 paires d images peuvent y tre stock es en PIV 2D De plus une carte r seau rapide 1 Gb s permet un transfert acc l r des images entre le SystemHub et l ordinateur alors que la carte traditionnelle 100 Mb s est utilis e pour le contr le Pour acqu rir plus de paires d images il faut effectuer plusicurs acquisitions d un bloc burst plut t qu une seule acquisition compos e de plusieurs blocs car la fonction permettant de vider le LIFO entre les blocs ne fonctionne pas actuellement A titre d exemple une acquisition de 1000 images 5 x 200 dure environ 7 minutes 4 2 5 Ordinateur L ordinateur utilis pour le contr le du SystemHub et le traitement de donn es est un PC DELL Precision 350 Le processeur est un Intel Pentium IV 2 4 GHz avec 1 Go de m moire vive Le syst me d
25. mat riel d acquisition de donn es 2 2 1 Syst me d acquisition de donn es L ordinateur utilis au d but du projet est un PC muni d un processeur Pentium H de 233 MGHz et de 384 Mo de m moire vive Le syst me d exploitation est Windows NT 4 0 Ensuite il a t remplac par l ordinateur de contr le du syst me PIV voir section 4 2 5 Les programmes d acquisition sont r alis s avec Microsoft Visual Basic 5 0 Les syst mes de d placement le contr leur de vitesse de rotation de l h lice et le scanivalve sont tous contr l s par l ordinateur La carte d acquisition est la PCI MIO 16E 4 de National Instruments Elle comporte 8 entr es analogiques diff rentielles et poss de un convertisseur analogique num rique 12 bits La fr quence d acquisition maximale est de 500 kHz sur une seule voie et de 250 kHz au total lors de l chantillonnage sur plusieurs voies La carte est reli e via un c ble SCXI un module de conditionnement de signaux SCXI comprenant un ch ssis SCXI 1000 deux modules d amplificateurs filtres SCXI 1141 et deux blocs terminaux SCXI 1305 Les modules SCXI 1141 poss dent leur propre multiplexeur dont la fr quence d acquisition maximale est de 330 kHz lors de l acquisition sur plusieurs voies Cette fr quence tant plus lev e que celle de la carte lors de nos acquisitions nous ferons l chantillonnage avec les modules SCXI 1141 plut t qu avec la carte d acquisition Ces modules poss dent
26. n importe quelle entr e avec la sortie Le syst me utilis ici comporte deux Scanivalves en s rie la premi re avec une rondelle 12 entr es et la deuxi me poss dant 5 rondelles avec 24 entr es Avec ce montage il est donc possible de relier s quentiellement un maximum de 120 prises un seul capteur de pression Les Scanivalves sont contr l es via le port GPIB de l ordinateur Pour les mesures de pression statique des prises de pression pari tale ont t usin es 16 een CABANA a FT Figure 2 8 Vue de dessus du montage en s rie des deux Scanivalves dans les plaques du plancher de la section d essai Le diam tre de l orifice du c t mesure est 0 4 mm 0 016 in Il est important que ces prises soient exemptes de bavures et de poussi res pour ne pas fausser la mesure celle ci tant tr s sensible Du c t ext rieur un trou borgne concentrique au premier et de diam tre 3 175 mm 0 125 in permet d ins rer un tube de laiton fix avec de la colle Celui ci permet la connexion des tubes Tygon pour relier la prise au capteur ou aux Scanivalves 2 2 4 Mesure de la vitesse de r f rence La vitesse de r f rence U est mesur e par deux prises de pression statique une est situ e au d but et l autre la fin du convergent sur une des parois lat rales Un talonnage est pr alablement fait donnant la relation entre le diff rentiel de pression entre ces deux prises et la pression dynamique
27. que la qualit de coulement t grandement am lior e et le caract re 2D de la couche limite et du d collement y est quantifi Cette derni re partie pr sente une qualification de l coulement obtenu finalement en d taillant l volution longitudinale de la couche limite ainsi que la distribution de pression dans la section d essai 1 NEEN e nar SS it ae SIGUR ERA AA Ape PA po he T 0 8 0 6 4 x c 0 4 ih o a L a z 4 F F0 g 0 2 4 E e dl di la 1 0 5 0 0 5 1 L 2 Figure 5 14 volution en z de la position du d collement 5 5 1 Distribution de pression La distribution de pression pr sent e la section 5 1 provient des mesures de Julien 1 Avec le syst me de contr le des couches limites lat rales le nombre de Reynolds a chang et la nature de l coulement galement ce qui a un effet sur la distribution de pression La mesure de la nouvelle distribution a donc t r alis e sur le montage final Les 69 prises de pression pari tale sont connect es au syst me de scanivalves voir section 2 2 3 Les mesures sont effectu es avec un capteur MKS Baratron 223BD et un capteur Ashcroft 5 pouces d cau Les mesures de ce dernier sont utilis es lorsque le Baratron est satur Les pressions sont r f renc es la premi re prise de pression pari tale Pref on mesure donc pres p La m thode utilis e pour obtenir C partir de ces mesures est la suivante Un nou
28. ro en dehors de la couche limite y 6 Rat ppp qe 50 E A A E A A A A A A AS O A E E AS A A A TE A SA gece A A A ene A A ge TR oP ee a A A A TS A A A TA a a A TA JR AR A ad A A nal A TI A A PP me Pee Peer ee a a A A AA A A ue HT oe P e e ue A un re ea Lu 1 a TA e ue ne o ee A A Pr em A m oe Sitar ce T srta 114 11 i he yy LT CE En 50 A EA eee TERES 50 50 Figure 4 6 Champ de vitesse moyenne Des lignes de courant sont trac es pour mettre en vidence la zone de recirculation Mesure issue de l acquisition X 1520 Z 12 La paroi est situ e y 50 mm et x 0 correspond au centre du champ de mesure PIV 50 y mm 50 Lt 5056 0 x mm Figure 4 7 Contours du nombre de vecteurs valides Mesure issue de Pacquisition X 1610 Z 0 La paroi est situ e y correspond au centre du champ de mesure PIV 50 mm et g 0 mn mme 5 80 oo om a se on fm oo oO 3006400 5 noana gave cooooa Ps oo 5 aoon ere A o 7 6009 80 A e O oa o H z A 8 5 8 mm aaae gee eS 3 40 A 444480 A 4 EEE E es 29 00000000000000000000000000000000 AAA A a al PS 1480 1500 1520 1540 1560 1580 X mm Figure 4 8 Param tres de couche limite calcul s avec le script Param Globaux m Epaisseur de la couche limite 00 00 A paiss
29. techniques utilis s sont d crits au chapitre 4 Chapitre 3 Section d essai non modifi e veine vide 3 1 Probl matique Avant de travailler sur les non uniformit s de l coulement dues la g om trie par ticuli re de la section d essai nous avons voulu valider les installations veine vide L coulement obtenu dans cette configuration s est av r tre tridimensionnel ne per mettant pas de r aliser des essais avec la section d essai modifi e La premi re partie du travail a donc t d obtenir un coulement 2D dans la section d essai non modifi e Sont pr sent s ici les diff rentes mesures effectu es pour caract riser l coulement d entr e ainsi que les modifications apport es la soufflerie et les r sultats obtenus Les essais pr sent s dans cette partie ont t r alis s avec une vitesse de r f rence U 16 m s 3 1 1 Profils de vitesse de couche limite Un des moyens simples de v rifier que la couche limite est bien 2D est de comparer les profils de vitesse 4 diff rentes positions z Cette acquisition a t r alis e avec le peigne de tubes de Pitot Le but vis est d obtenir une couche limite de grandeurs caract ristiques 6 9 O constantes en z sur une grande partie de la largeur de la veine d essai les effets des parois lat rales venant modifier ce comportement pour les valeurs extr mes de z La figure 3 1 pr sente les r sultats de deux essais ce qui permet de
30. tension permet un montage plus ais en effet le grillage est mont d tendu et la tension n est appliqu e qu une fois les deux parties du cadres assembl es L ancien nid d abeille en aluminium pr sentait des d fauts cellules cras es d form es et a t remplac par un nid d abeille en plastique Le dernier grillage qui tait en tissu maille tr s fine n est plus utilis car il se d tendait tr s rapidement La disposition des grillages a galement t revue en tenant compte le plus possible des recommandations de Watmuff 9 qui sugg re un espace libre d environ 200 largeurs de mailles apres chaque grillage La disposition actuelle est montr e la figure 3 5 Une attention profonde a t port e l tat de surface du plancher des cadres et du convergent afin d liminer toutes discontinuit s marche asp rit cavit pouvant perturber la couche limite La structure qui maintenait les grillages graiss s Ventr e de la chambre a t retir e En effet celle ci tait mal con ue des planches en haut et en bas emp chaient l arriv e d air du dessus et du dessous de la chambre et les montants situ s juste devant l entr e pouvaient tre la cause de perturbations y mm Figure 3 4 Profils de vitesse X 483 mm avant de poser le joint entre le dernier cadre et le convergent U U 4 est la vitesse normalis e par la vitesse de V coulement l ext rieur de la couche limite O z 2
31. une sonde 4 fils chauds crois s Les trois composantes de vitesse sont recueillics en deux s ries de mesure 1 s rie U et W 2 s rie U ct V Ona pu ainsi tracer un champ de vitesses moyennes figure 3 3 Un coulement secondaire est clairement pr sent sous la forme d un tourbillon de grande dimension de vorticit positive en x en accord avec les r sultats pr c dents visualisations et paisseurs de couches limites Les vitesses transversales sont importantes Vines 4 de Uno et 11 7 lt W lt 1 4 de Uso Avec un convergent 2D on s attend trouver des petits tourbillons de coins dus aux couches limites qui se d veloppent sur les parois lat rales du convergent Mais 24 20 7 oe ter poe kf ETETETT ee a sE TT PE ET 2e ba a E 3 PUT TT oP u a ww pay Qe A O O 300 200 100 0 100 200 300 z mm 40 35 30 25 0 99 mm 20 15 10 CARS RE Se CBT PS O We DE VON E KE D VE QE 0360 200 100 0 100 200 300 z mm Figure 3 1 Param tres de couche limite X 483 mm a paisseur de d placement b paisseur de couche limite O essai 08 A essai 09 dans notre cas le tourbillon observ est de signe oppos et a des dimensions plus importantes Sa provenance n est donc pas vidente Diff rents tests ont t effectu s afin de tenter de la d terminer Ces tests ont constitu en une s rie de modificatio
32. x ist A E s a 4 E a a 10 E L si 0 A 300 200 100 0 100 200 300 z mm Figure 3 8 Epaisseur de la couche limite 4 X 483 mm avant modifica tions des cadres O apr s modifications des cadres pr sence de fuites A apr s modifications des cadres tanch it refaite Le travail effectu sur l entr e de la soufflerie a donc beaucoup am lior la bidimen sionnalit en plus de diminuer l paisseur de la couche limite Un probleme subsiste pourtant En effet certains profils pr sentent une forme inattendue C est le cas comme on peut constater sur la figure 3 9 des profils 4 5 8 9 10 qui pr sentent une survitesse pour des valeurs de y entre 0 2 et 0 7 Le profil de vitesse de couche limite de type plaque plane calcul par Spalart 10 pour Reg 1410 est montr titre de comparaison Ces profils ne poss dent pas de zone de recouvrement loi logarithmique normalement pr sente sur les profils de couche limite de type plaque plane ce qui de plus emp che le calcul du Cy par la m thode de Clauser La section suivante pr sente les modifications suppl mentaires r alis es pour am liorer la forme des profils 33 Figure 3 9 Profils de vitesse X 483 mm apr s les modifications de l entr e de la soufflerie U Uex est la vitesse normalis e par la vitesse de l coulement l ext rieur de la couche limite O z 204 8 mm Pitot 3 A z 171 3 mm Pitot 4 V z 137
33. 0 15 A z e 0 22 x z c 0 28 lt z c 0 318 o e 0 372 02 Ux en fonction de 6 en chelle logarithmique O Valeurs exp rimentales et Loi en puissance 6 UZ H A EETAS 93 volution longitudinale des profils de Se A ee ee ere 94 Evolution longitudinale des profils de a A ee ee hh 95 Evolution longitudinale des profils de a ee ae ee ae eee 96 Position des maximum des contraintes de Reynolds O Rsmar gt JLU maL gt Beeson Oo A eh chan BOR APS WE Se dO he ERS 97 Position normalis e par 6 des maximum des contraintes de Reynolds O Yu 2 gt maz A Yey gt maz Y lt u gt maz 97 mu seleme o RSR e des ee volution longitudinale des profils de SR es 98 XV Liste des symboles c corde du profil d aile quivalent c 2 5m Cy coefficient de frottement Cp coefficient de pression C param tre d aspiration Diube diam tre ext rieur du tube de Pitot Ein tension d entr e du thermistor Fou tension de sortie du thermistor Emes tension de sortie de l an mom tre fil chaud H param tre de forme i indice longitudinal j indice vertical Kyes constante d talonnage du convergent talonnage r alis avec la section d essai modifi e K constante d talonnage du convergent talonnage r alis avec la section d essai vide L largeur de la section d essai p pression Pref pression de r f rence premi re prise de pres
34. 04 8 mm A z 171 3 mm V z 137 8 mm gt z 70 8 mm oz 3 8 mm z 63 2 mm o z 130 2 mm x z 163 7 mm z 197 2 mm 3 2 3 R sultats des modifications Une fois les modifications effectu es des visualisations par brins de laine semblaient montrer que le probl me tait corrig En effet les fils scotch s au plancher n avaient plus tendance converger vers le centre de la soufflerie Pour valider ce constat le champ de vitesse du coin inf rieur droit t mesur dans les m mes conditions qu la section 3 1 3 La figure 3 6 montre qu il n y a plus l coulement secondaire important qu on trouvait avant de modifier l entr e Les vitesses transversales sont beaucoup moins importantes Vinge 3 de Us et 0 5 lt W lt 2 7 de Ux les valeurs maximales tant situ es dans le coin Une exploration du m me type a t r alis e dans le coin inf rieur gauche Dans ce cas galement l coulement est 2D La figure qe Chambre de tranquilisation 280 mm as 8 a 6 a ex om oo mr e i 130 mm 130 mm 18 mnri 268 mm 0 Entr e Nid Grillage 1 Grillage2 Grillage 3 Convergent d abeille Figure 3 5 Nouvelle disposition des grillages Les nombres de mailles par pouce sont dans l ordre de num rotation des grillages 14 20 21 Les diam tres de fil des grillages sont 0 22 0 38 0 26 mm 3 7 pr sente les champs de vitesse dans les deux
35. 10 ge ke A ADS O Na a PELI DO AE LE LE OO 1 DD tl a a a a a a DA A u 6 A s na x 0 0 2738 n x c 02798 8 x e 0 28624 mn xfc 0 2958 25 A a me A Li a s B A LI a 80 a CS a ra A m 4 a CA 4 a m A a is A e aA A om 7 L A a cs A e o J a DA 4 u o 60 HF A B DA a om 4 CI na A a A M a pA A ca J y mm A C oA A a y A a aa a a o F u DA A a a a a DA A m m ar A 4 na A a oa ty aoa a A a oA ap b a 8 DA E A u a a m oA A L a a 4 a s A a 4 u a A n uA DE a am An a m a sand a n 4 a n ra Pos a a ou 5 7 La m aa a n a gt 4 Ex a g im P am A aa tay M i L 1 1 L 0 1 2 3 Figure 4 13 Vitesse moyenne V O Mesur e par PIV A calcul e par int gration 64 Chapitre 5 Section d essai avec gradient de pression 5 1 Introduction Le but de la g om trie sp cifique de la section d essai est d obtenir une distribution sim ilaire celle de profils conventionnels aux grands angles d incidence Pour ce type de profils le d collement d bute au bord de fuite et remonte progressivement vers amont lorsque l angle d attaque augmente Il n est toutefois pas possible d obtenir exacte ment la m me distribution de pression cause des conditions initiales diff rentes et du confinement de l coulement En effet dans la section d essai la couche limite tudi e prend son origine a l entr e de la soufflerie au d but du convergent Les conditions initiales sont donc diff rentes
36. 2 15 al B mm A eer y sob Date OA RE RE UE D EE TO 0 1 0 5 0 1 0 5 0 0 5 1 2 mi Lie L 2 Figure 5 13 Evolutions en z a Vitesse l ext rieur de la couche limite Uext b paisseur de d placement 9 c paisseur de quantit de mouve ment 0 d facteur de forme H O x c 0 29 A a c 0 32 sur la figure 5 13a On voit que pour les deux positions x pr sent es la vitesse de l coulement potentiel est uniforme sur Venvergure En x c 0 29 les carts par e 0 32 ceux ci ne sont plus que de 0 8 et 0 6 Il est noter qu en x c 0 32 les rapport la moyenne sont 0 5 et 1 1 sur toute Penvergure En 4 mesures n ont pas t r alis es en z L 2 0 47 et 0 71 Les figures 5 13b c et d J montrent respectivement l volution de l paisseur de d placement 9 de l paisseur de quantit de mouvement 0 et du facteur de forme H de la couche limite pour les deux stations x vues pr c demment En a c 0 29 les variations maximum de sont relativement faibles 8 1 et 12 5 pour les 47 centraux de l envergure ct comparables celles observ es l entr e de la section d essai avant d en modifier la g om trie 13 et 4 5 sur les 70 centraux de l envergure voir section 3 5 Les valeurs de H cette position varient entre 3 2 et 4 1 sur la portion centrale Le graphe indique une augmentation monotone du facteur de f
37. 2 1 4 Syst me d aspiration Un syst me d aspiration au plancher est galement disponible figure 2 6 Il permet d avoir une bande d aspiration de 7 62 cm x 61 cm 3 in x 24 in l entr e de la section d essai Il est constitu d un convergent con u pour obtenir une aspiration uniforme sur toute la bande d une chambre basse pression et d un ventilateur de type cage cureuil permettant de cr er la d pression l int rieur de la chambre La vitesse d aspiration est r glable l aide d une saign e ajustable au niveau de la chambre basse pression Le convergent est mobile verticalement permettant de passer facilement de la configuration avec la configuration sans aspiration Le syst me est plac sous le convergent de la soufilerie 13 14 Figure 2 6 Syst me d aspiration 2 1 5 Rep re Le syst me d axe utilis est un rep re orthonorm direct voir figure 2 7 e axe X direction de l coulement et positif dans le sens de l coulement Origine au d but de la section d essai e axe Y direction verticale et positif du plancher vers le plafond Origine au plancher e axe Z Perpendiculaire X et Y et dans le sens direct Origine au centre de la section d essai Figure 2 7 Sch ma de la section d essai 2 2 Instrumentation et techniques de mesure Cette partie pr sente les divers capteurs et systemes de mesure utilis s au cours du projet ainsi que le
38. 9 Investigation of the wall shearing stress in tur bulent boundary layer NACA TM 1285 ZAMM Vol 29 16 Drela M 1996 XFOIL v6 8 User Primer Departement of Acronautics and Astronautics Massachusetts Institute of Technology 17 Zagarola M V Smits A J 1998 Mean Flow Scaling of Turbulent Pipe Flow J Fluid Mech 1998 vol 373 pp 33 79 18 Song S 2002 Reynolds number effects on a turbulent boundary layer with separa tion reattachment and recovery Department of Mechanical Engineering Stanford University 19 Castillo L George W K 2000 Similarity Analysis for Turbulent Boundary Layer with Pressure Gradient Outer Flow ATAA Journal vol 39 No 1 January 2001 pp 41 47
39. ANTOINE V NISSE SUPPRESSION DES NON UNIFORMIT S DANS UNE COUCHE LIMITE EN GRADIENT DE PRESSION ADVERSE CONDUISANT AU D COLLEMENT M moire pr sent la Facult des tudes sup rieures de l Universit Laval pour l obtention du grade de maitre s sciences M Sc D partement de g nie m canique FACULTE DES SCIENCES ET DE GENIE UNIVERSITE LAVAL QUEBEC JANVIER 2004 Antoine V nisse 2004 ivi National Library Bibliotheque nationale of Canada du Canada Acquisitions and Acquisisitons et Bibliographic Services services bibliographiques 395 Wellington Street 395 rue Wellington Ottawa ON K1A ON4 Ottawa ON K1A ON4 Canada Canada The author has granted a non exclusive licence allowing the National Library of Canada to reproduce loan distribute or sell copies of this thesis in microform paper or electronic formats The author retains ownership of the copyright in this thesis Neither the thesis nor substantial extracts from it may be printed or otherwise reproduced without the author s permission Your file Votre r f rence ISBN 0 612 90811 9 Our file Notre r f rence ISBN 0 612 90811 9 L auteur a accord une licence non exclusive permettant a la Biblioth que nationale du Canada de reproduire pr ter distribuer ou vendre des copies de cette these sous la forme de microfiche film de reproduction sur papier ou sur format lectronique L auteur conserve la propri t du droit d auteu
40. IV 43 A Tutroduchion o AR ari IA e E Ser Shad 43 AD A A 4e WY Bees 45 4 2 1 Ensemencement 45 42 2 Laser et bras optique Li A Wa dan ee 46 4 2 3 Appareil photographique ee e ne de e hac ane amp 46 vi AIA O AA Aber amis Gale eae Os A ee FH ea ey 4 3 Traitement des donn es boc e Bs egies ee le deat Geo 4 3 1 Intercorr lation 2 dde Valdations varia lo O AA es Ad SORIA ita tr ic A A te 4 4 R sultats typiques sl a Be A A td BS 4 4 1 Champs de vitesse ad aber A 4 42 Param tres globaux de couche limite 4 4 3 Quantit s turbulentes 444 400 e alt ne 4 4 4 Coefficient d coulement de retour et position du d collement 4 5 Validation des mesures 12 cora ee a a a Des 5 Section d essai avec gradient de pression Sli IO LA ON PE A td e 5 2 Non uniformit s spatiales cu E rs aia id 5 3 Plaques s paratrices La al RARA 5 3 1 Caract ristiques des plaques s paratrices ee 5 3 2 Caract ristiques des pertes de charges 5 4 V rification de la bidimensionnalit 5 41 a Lente ig eng ad de Lit aR ere arr tk 5 4 2 Mesures PIV irice seb eae we douane tude 5 5 Caract risation de coulement 5 5 1 Distribution de pression 552 Decollement LES AM LS Se gush ame nm eee ee ace ge ae 5 5 3 Evolutions longitudinales
41. Sch ma expliquant la formation du tourbillon dans le coin Les lignes noires paisses entour es de fl ches courbes repr sentent un tube de vor ticit Sch ma de la section d essai a Vue de dessus b vue de c t Sch ma de la section d essai montrant les quatre parties des plaques s paratrices Photographie des brins de laines en amont du bord d attaque des plaques s paratrices Photographie des pertes de charge la sortie du canal central On voit le passage laiss libre pour les canaux lat raux Comparaison des visualisations dans la zone s par e a sans les plaques s paratrices b avec les plaques s paratrices Le bas des images est environ r e 0 25 et le haut z c 0 48 xiii 68 68 69 70 72 73 74 J wer cr E i 5 22 Photographie des visualisations en amont de la zone s par e Vue de dessus La fl che indique le sens de P coulement Le bas de l image est environ z c 0 12 et le haut me 0 36 4 42 iia da 76 volutions en z a Vitesse Vext rieur de la couche limite Uext b paisseur de d placement 9 e paisseur de quantit de mouvement 0 d facteur de forme H O a c 0 29 A x c 0 32 77 volution en z de la position du d collement 79 talonnage du convergent avec g om trie modifi e 81 Nouvelle distribution de pression sur le plancher de la sectio
42. Ventr e des canaux a t v rifi e l aide de brins de laine fils coudre dispos s au plancher en amont des bords d attaque voir figure 5 9 Le premier syst me tait constitu de deux cadres en contreplaqu sur chacun desquels tait agraf un grillage mailles d environ 1 x 1 cm Les deux cadres taient viss s entre eux permettant d emprisonner des pertes suppl mentaires L ensemble tait ensuite gliss par le dessus entre la fin de la section d essai et la section de sortie de la soufflerie Plusicurs mousses ont t test es et finale ment un tissu fin genre mousseline tendu sur les cadres s est r v l efficace Mais il s est av r que le tissu accumulait l huile des particules d ensemencement utilis es pour les mesures PIV en particulier aux endroits o le tissu tait en appui sur le grillage du cadre Cette huile ne s vaporant pas ou peu entre les s ances d essais les pertes de charge augmentaient entra nant une diminution de la vitesse dans la section d essai La vitesse est pass e progressivement de plus de 9 m s 8 m s au cours de mesures PIV visant v rifier la bidimensionnalit Le syst me de pertes de charge d finitif est constitu de deux plaques d aluminium perfor es figure 5 10 L une des deux plaques est mobile verticalement permettant de diminuer le ratio surface ouverte surface totale Mais la configuration compl tement ouverte s est av r e cr er les pertes n cessa
43. aisseur de la couche limite 6 paisseur de d placement de la couche limite A param tre de gradient de pression v viscosit cin matique p masse volumique 0 paisseur de quantit de mouvement de la couche limite Chapitre 1 Introduction 1 1 Contexte Ce projet entre dans le cadre d un projet de recherche sur le contr le du d collement d une couche limite semblable celles se d veloppant sur l extrados d un profil d aile grand angle d incidence Le d collement de la couche limite est l origine du ph nom ne de d crochage qui correspond une importante perte de portance de l aile Ce ph nom ne appara t pour des angles d incidence lev s coincidant g n ralement avec les configurations d atterrissage ou de d collage des avions En permettant d augmenter cet angle de d crochage on peut envisager de diminuer la vitesse et donc les distances de d collage et d atterrissage des avions Les syst mes de contr le qui seront l tude dans ce projet sont des syst mes passifs Il s agit en particulier de riblets micro rainures pari tales longitudinales avec ou sans rugosit s de paroi De plus cette tude pourrait permettre d acqu rir une meilleure connaissance de la structure de la couche limite turbulente en processus de d collement 1 2 Probl matique Cette tude est r alis e dans la soufflerie basse vitesse du laboratoire La premi re tape du projet consistait donc recr
44. alcul e en faisant la moyenne des vitesses pour les positions y sup rieures la position limite y pour laquelle 0 995 x Ur lt Una lt 1 005 x U et 0 995 x Ur lt Ura lt 1 005 x Ui L paisseur de couche limite est d termin e comme tant la premi re position y pour laquelle U gt 0 99 x Uert La r solution spatiale sur la d termination de est donc gale l espacement des zones d interrogation L volution de 6 se fait donc par plateaux 6 et 6 sont calcul es en r solvant num riquement les int grales suivantes il U 1 po 5 s fa 4 5 f are adi 4 6 Ie Ue Wag et le param tre de forme par 5 H ri 4 7 La pr cision sur le calcul de ces param tres n est pas tr s bonne car on dispose de peu de points pr s de la paroi Le premier point au dessus de la paroi est situ environ y 6 0 15 y 2 5 mm pour les mesures les plus en amont et y d 0 05 y 4 5 mm en aval Une interpolation lin aire est utilis pour le calcul de l int grale entre la paroi et le premier point Le coefficient de frottement Cf est calcul par la loi de frottement de Ludwieg Tillmann 15 quation 4 8 car il wa pas t mesur Puisqu il s agit d une couche limite soumise un fort gradient de pression adverse et qui d colle les C obtenus avec les mesures effectu es ne sont pas satisfaisants et n ont donc pas t exploit s Vex Vv Cpe 0 246 x 10708678H R7268 o R 4 8 Le s
45. bleau pr sente la r solution normalis e en unit de paroi pour les zones en amont du d collement Les mesures effectu es sont donc exploitables n anmoins il reste des progr s faire au niveau de la qualit des mesures PIV 0 07 0 095 0 13 0 17 0 27 0 31 0 31 0 35 1 64 96 117 0 34 0 38 3 19 Tableau 4 3 R solution spatiale des mesures PIV a f ea L 4 DAA 4 ros Em 4 po Get at l ii at i 3 a4 an AAA r 8 ond H gt i a Gam KEPA ae PL LON 44445 S i i wey y M0 La S Ti f l La L a S Ti i E 100 pp nl OEE PAA os AE ORS AE EA A E O IS OER y PR 8 8 Ex A gt Cant V mls 8 40 ig o acai eta E 4 r 4 F 4 L a 4 a L A 4 4 L J L e 4 Fr o ai daqa a i ES a 7 a a 7 L AL TS a a ma L o gim Ba ME F S Eog 4 q 3 nil AANACGAMAD 4 SOR o E A o7 gen pan H BOn 4 la lt 4 lt E lt a a lt LS a a ES 4 g lt lt T a A a Cipi rh 1 4 ug m a t 4 4 4 L 4 J r 4 4 L 3 4 y L T E da i r F 4 4 Sl L J L k E 2 gt t i H T E E CE D A ARR a a O OS NE ER EE O aA TH 8 y mm Figure 4 12 a Vitesse moyenne V b Corr lation lt uv gt O Mesure par PIV A calcul e par int gration 0 005 Ds 8 005 lt u gt U 0 005 0 005 63 1
46. c le syst me PIV ont t compar s ceux calcul s par int gration de l quation de continuit 2D quation 4 9 La seconde v rification consiste comparer les valeurs de lt u u gt mesur es aux valeurs calcul es par int gration de l quation de quantit de mouvement 2D crite en n gligeant le terme de diffusion visqueuse quation 4 10 en utilisant les valeurs mesur es de vitesse U V lt u gt ETETA TT A e o ES A y f i de E ea J a y La s La E ahh 8 CS p E 7 gt E a a wa F fs we SE a a a a a a e 4 e 4 i 4 p B a mi h o 4 a b E x o 2b ao 2 i oe y i a f f 1 a AAA AE EE CS test ct EEA EEE 0 6 005 Gi 0015 6 02 0 025 606 5 002 009 0004 0 00s lt gt O eS a En E 1 a J 8 A y a o 4 we PT g 7 4 6 4 i E z aes 5 o 2 a a OS TO ES SME IN TES WE Sas PSE Wn DR Sa O E A 004 0 003 0 002 0 001 9 0 004 lt u gt Figure 4 10 Exemple de profils es quantit s turbulentes X 1507 mm a profil de 2 re b profil de ime c profil de 2 lt a ce OU AV be oy ve O O lt uP gt tet Wee VU V By Jz By lt uv gt Uni 0 4 10 Ces calculs ont n cessit des d rivations num riques Des diff rences centr es ont t utilis es pour les d riv s en x et en y En appelant 7 l indice selon x et j l indice selon y les formules de ces d riv s sont donn es aux quations 4 11 et 4
47. ce entre eux et Punit de contr le SystemHub 46 100 80 A ta Energie a o A E y 10 F d 20 Ea bot di io o 100 WO 300 400 300 600 700 800 000 1000 Lecture An nuateur Figure 4 2 R glage de l att nuateur Un adaptateur est utilis pour monter des lentilles optiques sur les appareils Deux types de lentille sont disponibles au laboratoire Il s agit d une Nikon AF Micro Nikkor 60 mm et d une Nikon AF Nikkor 28 mm La seconde permet d avoir un plus grand champ de prise de vue Les deux types ont t utilis s d pendamment de la position et de la taille de la zone de mesure d sir e Pour les mesures PIV st r oscopiques les cam ras sont mont es sur des supports sp ciaux permettant de satisfaire la condition de Scheimpflug c est dire que les plans du capteur CCD de la lentille optique et de mesure doivent se couper en un m me point Les caract ristiques d taill es sont donn es dans les manuels d utilisateur fournis par Dantec Dynamics 14 Les appareils photos n cessitent un talonnage afin de d terminer le facteur d chelle scale factor qui correspond au rapport dimensions dans le plan objet dimensions dans le plan image Pour r aliser cet talonnage on positionne une cible de dimensions connues dans le plan de mesure et on la photographie Les dimensions sont ensuite indiqu es dans FlowManager qui calcule le facteur d chelle Lors de mesures PIV st r oscopiques
48. coins inf rieurs Ensuite des profils de vitesse du m me type qu a la section 3 1 1 ont t r alis s pour s assurer de la bidimensionnalit de la couche limite La figure 3 8 montre les r sultats obtenus dans un premier temps On peut voir que la couche limite est beaucoup plus paisse la position du tube de Pitot 6 z 70 8 mm Cependant en comparaison les paisseurs caract ristiques sont plus faibles qu avant les modifications et mis part la position z 70 8 mm la couche limite est plus 2D dans la partie centrale de la section d essai Il s est av r qu une fuite tait l origine de l paisseur anormale de la couche limite dans la r gion du tube de Pitot 6 voir section pr c dente les r sultats obtenus une fois l tanch it refaite sont montr s la figure 3 8 La couche limite est bien 2D sur la partie centrale de la section d essai les profils de vitesses sont plus semblables 30 ds 200 10 de Uu 0 50 150 z mm Figure 3 6 Champ de vitesse du coin X 140 mm z gt 0 apr s les modifications de l entr e 31 z mm 3 Figure 3 7 Champs de vitesse dans les coins inf rieurs 140 mm apr s les modifications de l entr e 32 p o LL Pb ie i ek HE DRE ok Pe Te Pt EA Ce po IN ALS D A AD M AA LES i Wu on TTFyTTTF t 4 30 E boo 255 o J Z e J 8 99 mm F g N 3 20 al A a 8 a
49. collement de la couche limite au plafond Le convergent est plac imm diatemment l entr e de la section d essai afin d avoir une paisseur de couche limite au plancher la plus mince possible et une plus grande longucur de d veloppement en gradient de pression adverse La partie divergente droite initiale ment en agglom r de pin a servi v rifier l aide de brins de laine que P coulement reste attach au plafond Elle a ensuite t remplac e par une plaque en Plexiglas pour permettre un acc s optique plus ais La partie parall le au plancher est en agglom r de pin Le plancher est toujours compos de plaques aluminium interchangeables mais 12 une bosse de 2 cm au niveau du pic de d pression sert simuler la forte acc l ration pr sente sur le nez d un profil d aile en cr ant une zone de courbure importante Les plaques se situant apr s cette bosse sont donc mont es sur des cales de 2 cm afin de conserver un plancher droit et horizontal La sortie de la soufflerie partie comportant Vh lice a t rehauss e galement afin d tre align e avec la section d essai Un syst me de plaques s paratrices a t ajout par la suite pour permettre le contr le des couches limites des parois lat rales Celui ci est d crit a la section 5 3 T a 46m 5 80 60 65 70 X em Figure 2 5 a Vue de c t de la section d essai d form e b zoom sur la bosse du plancher
50. collement est repr sent e par la ligne pleine R sultat issu de l acquisition X 1520 Z 12 DS UD le Al a Vitesse moyenne V b Corr lation lt wv gt O Mesur e par PIV A calcul e par int gration a ee E E Vitesse moyenne V O Mesur e par PIV A calcul e par int gration G om trie modifi e de la section d essai 2 2 ee es xii Gi 60 61 63 66 a a Gl 5 5 10 cr 9 Al a G om trie de la section d essai vue de c t Dimensions en m tres b Distribution de pression sur le plancher de la section d essai R sultats exp rimentaux Re 2 5 x 10 calcul potentiel distribution de pression sur Vextrados d un profil NACA 2412 18 d incidence Re 2 5 x 10 corde 2 5 m Photographie des visualisations de la zone s par e Vue de dessus Les fl ches sont dessin es pour aider la compr hension La grande fl che indique le sens de l coulement Le bas de l image est environ z c 0 25 et le haut x c 0 48 Photographie des visualisations en amont de la zone s par e Vue de dessus La grande fl che indique le sens de l coulement Le bas de l image est environ z e 0 13 et le haut z c 0 25 Champs de vitesse perpendiculaire l coulement z c 0 09 dans le coin inf rieur gauche z lt 0 Des pseudo lignes de courant sont trac es pour visualiser la structure tourbillonaire
51. degr d humidit il s est donc d form et la g om trie des cadres et du convergent lui m me n est plus la m me qu l origine L ensemble chambre de tranquillisation convergent s est d form On peut en effet observer un vrillage et une inclinaison de la section entre l entr e ct la sortie de la chambre de tranquillisation ainsi qu une l g re concavit des parois lat rales l entr e du convergent Les cadres s tant d form s le passage d un cadre l autre tait marqu par des marches montantes ou descendantes importantes sur les parois certains endroits les diff rentes parties des cadres s taient m me cart es cr ant ainsi des fentes par lesquelles du soufflage pouvait avoir lieu Ce soufflage tait facilit par la perte d tanch it de la porte et des parois de la chambre de tranquillisation On a pu galement constater que les grillages n taient plus tendus ou pas uniform ment cause de la d formation des cadres De plus certaines mailles taient obstru es par de la peinture ou de la colle 3 2 2 changements effectu s De nouveaux cadres ont t construits en utilisant un autre mat riau sens tre beau coup moins sensible aux conditions climatiques que l ancien Le mat riau utilis est un to J contre plaqu compos de couches tr s fines Les cadres sont con us de fa on avoir une bonne rigidit d autant que l paisseur du contre plaqu e
52. e 5 22 Evolution longitudinale des profils de vitesse moyenne e o S g Ss LL il a Y a E j Lie err pert A D SG EE AAA 0 28 Lip et Po ey CETT 91 0 32 0 24 xt 6 2 TOA 0 16 0 12 0 08 92 25 i 2 p UU Y TS 1 5 mi gt in AAA o Figure 5 23 Profils de vitesse d ficitaire normalis s par Uext0 0 o x e 0 076 O x e 0 15 A 2 0 0 22 x 2 0 0 28 lt 4 2 0 0 318 o z c 0 372 30 25 20 15 i Si e EEE AOS EA AP LOT BE fo E 0 05 O1 0 15 02 5 m Figure 5 24 Us en fonction de 6 en chelle logarithmique O Valeurs par exp rimentales et Loi en puissance U ort 93 94 9 TEO so 30 ee TO y A oro pidio id o a AA 1 m mr PIE gt 00 200 10 0 0 0 0 0 0 0 E a a a Li Y a k a E a a 5 a CM EE J a m a a o i a a fs Be Rae a a D a ga 9 i a a Dg z E z 8 4 Ba a D a a E LE E a a r B E H s a Pen o E 8 o 920 0 2X F lu NET a a z a E m a BTE 02 5 oO a OI R 5620 09 O TTO 2 X a r o E ZLE0 9 E o o A do Bia e esau Mu E 100 0 ip lt i gt igen ext T ay 7 itudinale des profils de Evolution long Pa gt 5 25 igure F a x 960 zeo 830 AN TO sra sa a AAA A AAA TE EE ES EE Tey A AN o paper PAIK gt 100
53. e am lioration de la bidimensionnalit des mesures PIV ont t r alis es pour permettre de qualifier plus pr cis ment l uniformit en en vergure de P coulement Ces mesures consistent en des champs de vitesse 2D dans des plans parall les la direction de l coulement plusieurs positions z Pour chaque plan 1000 champs de vecteurs instantan s ont permis de calculer des grandcurs moyennes suffisamment pr cises Les diff rents param tres de couche limite ainsi que la position du d collement trouv e partir du coefficient d coulement de retour ont t com par s Le post traitement des donn es permettant l obtention de ces param tres est d crit la section 4 3 3 Les mesures ont t effectu es deux stations x diff rentes 0 267 lt x e lt 0 314 et 0 306 lt z c lt 0 353 et 9 positions z Sur les figures la position z est normalis e par la demi largeur du canal central L 2 254 mm L volution des param tres est pr sent e pour deux positions x une situ e en amont du d collement z c 0 29 et la seconde tr s proche du point de d collement r e 0 32 L volution en z de la vitesse l ext rieur de la couche limite est montr e ro 25 AAA AAA E y peppers piesa a D pese Sn PR a cae a ro E a b 20 t a L 2 z RR 8 4 l a a 3 E a 15 y 4 a n o Y U Ong mis F 4 MF J i 5 la F p 0 iras lala LAA AM A IN ay aa iS 0 5 0 0 5 0 0 5 1 L
54. e syst me de d placement en y utilis par exemple pour l acquisition des profils de vitesse de couche limite avec le peigne de tubes de Pitot 20 T Figure 2 11 Syst mes de d placement 2 2 8 Techniques de visualisation Pour avoir une compr hension rapide de l coulement et pour faire une premi re vali dation du montage deux techniques de visualisations ont t utilis es 2 2 8 1 Visualisation par brins de laine Ce sont en fait de petits morceaux de fil coudre de longueurs vari es qui sont fix s la paroi par du ruban adh sif transparent Cette m thode reste qualitative et ne permet pas d obtenir une position pr cise pour le d collement 2 2 8 2 Visualisation par huile pigment e Cette technique fut utilis e plusieurs reprises et avec des pigments diff rents Lorsqu appliqu sur des plaques d aluminium non peintes le pigment utilis tait de la poudre de charbon couleur noire Sur les plaques noires le pigment utilis tait de Voxide de titane couleur blanche Dans les deux cas lPhuile tait du Bayol et de Pacide ol ique tait rajoutt pour emp cher les pigments de coaguler Les proportions utilis es taient d environ 60 ml de Bayol 10 ml d acide et 10 ml de pigment YOL 2 2 9 Syst me PIV Un syst me de v locim trie par image de particule PIV a t utilis pour un grand nombre de mesure dans la section d essai avec gradient de pression Le mat riel et les
55. ech 1990 vol 212 pp 615 636 Elsberry K Loeffler J Zhou M D Wygnanski I 2000 An experimental study of a boundary layer that is maintained on the verge of separation J Fluid Mech 2000 vol 423 pp 227 261 Gleyzes C 1988 Operation d crochage R sultats des essais la soufflerie F2 Rapport technique N OA 71 2259 AYD DERAT N 55 5004 22 ONERA Buice C U Eaton J K 1997 Experimental investigation of flow through an asymmetric plane diffuser Report No TSD 107 Department of Mechanical Engi necring Stanford University California Zagarola M V Smits A J 1996 Velocity Gradient Corrections to Superpipe Data Department of Mechanical and Aerospace Engineering Princeton University 101 102 9 Watmuff J H 1998 Detrimental Effects of Almost Immeasurably Small Freestream Nonuniformities Generated by Wind Tunnel Screens ATAA Journal vol 36 No 3 March 1998 pp 379 386 10 Spalart P R 1988 Direct Simulation of a turbulent boundary layer up to Ry 1410 J Fluid Mech 1988 vol 187 pp 61 98 11 Schlichting H 1979 Boundary Layer Theory Mc Graw Hill Ed Seventh edition 12 Hucho W H 1998 Aerodynamics of Road Vehicles Society of Automotive En gineers Fourth edition 13 Safer Fog Generator User s guide 1998 Copyright 1998 by Dantec Dynamics 14 Hisense PIV PLIF Camera 2002 Copyright 1998 2002 by Dantec Dynamics 15 Ludwieg H Tillmann W 194
56. econd fichier de sortie du script Res xxx dat contient pour chaque coordonn es du plan toutes les valeurs statistiques normalis es par diff rentes grandeurs Le tableau 4 2 pr sente les variables pr sentes dans ce fichier Pour les normalisations en variables de paroi le Cy utilis est le m me que pr c demment Les donn es normalis es en variables de paroi n ont donc pas t exploit es Le second script r alis coefretour m permet le calcul du coefficient d coulement de retour x Il n cessite en entr e tous les champs de vitesse instantan e et fournit en sortie pour chaque position x y dans le plan de mesure la valeur de x et le nombre Tableau 4 2 Les diff rentes variables et normalisations du fichier de sortie Res xxx dat de vecteurs valides cette position Le coefficient d coulement de retour est d fini comme la fraction du temps pendant laquelle l coulement va vers laval Dans notre cas c est pour chaque position le pourcentage de r alisations valides pour lesquelles P coulement va vers laval Le nombre de vecteurs valides quant lui est calcul en comptabilisant les vecteurs dont le statut est diff rent de 1 rejet 4 4 R sultats typiques Dans cette section les diff rents types de r sultats issus des mesures PIV sont pr sent s Ceux ci sont utilis s dans le chapitre 5 pour la validation et la caract risation de l coulement 4 4 1 Champs de vitesse Le r s
57. effectu es Dans le cas de l tude d Elsberry et al 5 la couche limite est galement maintenue tr s proche du d collement Elle se d veloppe dans une section d essai divergente mais le gradient de pression est plus mod r que dans l tude pr sent e dans ce m moire Gleyzes 6 en revanche pr sente un cas plus semblable Il montre entre autre l volution des grandeurs caract ristiques de la couche limite mesur es en soufflerie sur un profil d aile AS 23 un grand angle d incidence Le divergent de la section d essai entra ne une d c l ration de l coulement Cette d c l ration correspond un fort gradient de pression adversc Les effets d un tel gradient sur la couche limite sont les suivants Le profil de vitesse se creuse ce qui se traduit par une augmentation du param tre de forme H En effet l paisseur de d placement 6 augmente plus rapidement que l paisseur de quantit de mouvement 0 La valeur du param tre de forme au niveau du d collement varie beaucoup selon les conditions exp rimentales On trouve des valeurs allant de 2 5 Elsberry et al 5 4 Gleyzes 6 Le param tre d coulement de retour la paroi xp est utilis par Simpson 2 pour d crire les diff rentes tapes du ph nom ne de d collement Ce param tre repr sente le pourcentage de temps pour lequel l coulement va vers Paval La position pour laquelle le coefficient de frottement s annule correspond la p
58. ement munie d un fil de tungst ne de 5 um mont e sur un syst me de d placement en y Les an mom tres utilis s sont ajust s pour obtenir une surchauffe de 1 8 Avec le cocfficient de temp rature de la r sistivit des fils employ s ao 0 0036 la temp rature du fil T est d environ 190 C L talonnage des sondes est r alis avec la vitesse de r f rence U es mesur e dans le convergent La loi de King est utilis e Les tensions utilis es pour le calcul de la vitesse sont corrig es pour les variations de temp rature entre le moment du r glage de l an mom tre et le moment de son utilisation pour la prise de mesures La tension corrig e E est obtenue partir de la relation suivante Ty T E Emei FT 2 5 o T est la temp rature lors de la mesure de la tension Emes To est la temp rature ambiante lors du r glage de l an mom tre 2 2 7 Syst mes de d placement Dans la plupart des cas le d placement des sondes s effectue l aide de traverses mues par des moteurs pas pas command s par le programme d acquisition Les moteurs font 400 pas par tour un tour correspondant un d placement de 1 mm de la traverse Le plus petit d placement possible est de 0 0025 mm Diff rents dispositifs ont t con us pour fixer ces traverses sur la structure de la soufflerie La figure 2 11 montre le syst me de d placement deux axes utilis pour des acquisitions avec la sonde fils chauds crois s et l
59. ensions normales lt u gt et lt v tenseur de Reynolds ont t calcul es partir des mesures PIV Ces r sultats peuvent tre pr sent s comme la figure 4 9 sous forme de contours d une quantit turbulente ou de mani re plus conventionnelle figure 4 10 sous forme de profils d une quantit turbulente G n ralement pour les mesures pr sent es dans ce m moire les statistiques 1 Le at 50 pp OS y mn yimm 2 0 x mm Figure 4 5 pee pr 50 pen qe G atc hg MELIA ACE me E den ind NN O A E SR ti AA A MOE e AIOE ll LIL o BP JA A MIO Mr Frame gente a A A ante nn ma A ay tent a ec A TE AS Drouot done nue ee cmt A O A me ng Oe tt tn moma a TS cmt eg Pt om ow Aone Pi RE SE OLE meme Ge LB SE IO SE an yt O mp Oi EN cc o Ir ne th NA A mn tes Sete Sm y num ob OO tan er OM rte ae rat Sea E SS RA Bierce Sie me A Prat er E x min Champs de vitesse instantan e Mesures issues de l acquisition X 1520 Z 12 La paroi est situ e y 50 mm et x 0 correspond au centre du champ de mesure PIV ont t effectu es sur 1000 champs instantan s On constate sur la figure 4 10 que le niveau de bruit est assez lev en effet les valeurs de lt u gt et lt v gt ne reviennent pas une valeur nulle en dehors de la couche limite En revanche les valeurs de lt ww gt sont assez proches de z
60. er en laboratoire une distribution de pression menant au d collement de la couche limite similaire celle de Pextrados d un profil 4 d aile conventionnel un grand angle d incidence Pour cela le moyen choisi fut de modifier la g om trie de la section d essai plafond convergent puis divergent afin de cr er un gradient de pression adverse La couche limite tudi e se d veloppe au plancher de la section Ceci permet de travailler avec une corde de profil quivalente plus grande qu en utilisant un profil miniature et donc un nombre de Reynolds plus proche des conditions r elles De plus les mesures sont plus faciles 4 r aliser sur le plaucher de la section d essai La conception et les tests de la g om trie ont t r alis s par Steve Julien 1 lors de sa maitrise La distribution de pression obtenue tait satisfaisante mais l coulement dans la zone de d collement pr sentait des non uniformit s importantes ne permettant pas d tudier les m canismes de contr le 1 3 Objectifs et structure du m moire Le but de mon projet de ma trise tait donc de rendre l coulement dans la soufHerie le plus bidimensionnel possible Ceci a t r alis en deux tapes La premi re fut d liminer les non uniformit s de l coulement avec la section d essai non d form e sans gradient de pression Un travail important a t r alis sur l entr e de la souf flerie chambre de tranquillisation et convergent pou
61. es se formait une nouvelle couche limite plus fine Cette solution n tant pas suffisante de fines fentes de succion au d but du divergent ont permis de supprimer les couches limites des parois lat rales et ainsi obtenir un coulement bidimensionnel Buice et Eaton 7 ont tudi un coulement dans un diffuseur plan asym trique Pour viter la s paration des couches limites des parois lat rales dans le divergent ils ont eu recours des plaques s paratrices permettant d enlever les couches limites s tant form es en amont du divergent Pour permettre la succion dans les canaux lat raux une perte de charge est plac e la sortie de la section principale Le contr le de cette succion est effectu l aide de pertes de charge r glables la sortie des sections lat rales EN Chapitre 2 Installations instrumentation et techniques de mesure 2 1 Installations La soufflerie utilis e pour les essais r alis s lors de ce projet est une soufflerie couche limite du LMF C est une soufflerie aspirante circuit ouvert open return circuit Elle se compose de trois parties distinctes l entr e la section d essai et la sortie La figure 2 1 est une vue d ensemble de la souffleric 2 1 1 Entr e de la soufflerie Elle se divise en deux parties La chambre de tranquillisation et le convergent voir figure 2 2 Dans la chambre de tranquillisation l coulement passe au travers de filtres graiss s utili
62. esses instantan es pour tout le domaine de mesure et ceci de mani re non intrusive En revanche la vitesse est mesur e de mani re indirecte car on mesure en fait la vitesse des particules et non de l coulement Un autre inconv nient est la r solution temporelle tr s faible en comparaison d autres techniques telles l an mom trie fil chaud Le but de ce chapitre n est pas de faire une revue exhaustive de la th orie sur le PIV mais de d crire le mat riel et les techniques utilis s lors de ma maitrise 4 2 Mat riel Le syst me acquis par le laboratoire de m canique des fluides fin 2002 est un syst me commercial de chez Dantec Dynamics Les diff rentes parties du syst me sont d crites dans cette section 4 2 1 Ensemencement Le syst me d ensemencement est un g n rateur de brouillard SAFEX qui vaporise de l huile en tr s petites gouttelettes Trois diff rentes huiles ont t utilis es voir tableau 4 1 Finalement la SUPER SPEZIAL s est av r e tre le choix permettant le meilleur ensemencement au niveau de la dur e et de la densit du brouillard Type d huile Taille moyenne jm EXTRA CLEAN 10 30 Tableau 4 1 Les diff rentes huiles utilis es pour l ensemencement Donn es extraites du manuel d utilisateur 13 L ensemencement s est r v l tre le param tre le plus sensible lors des acquisitions En effet il est tr s difficile d obtenir un ensemencement
63. estim e 014 0 86 mm Le diam tre du fil choisi est k 0 88 mm ainsi k d 1 02 Ce qui situe en th orie la position de la transition tr s proche du fil En pratique 12 mm en aval du d clencheur on constate effectivement que l coulement est compl tement turbulent La position de la transition est donc bien d termin e et est forc ment la m me pour toutes les positions z L utilisation du d clencheur s est av r e b n fique pour la forme des profils En effet ceux ci ne pr sentent plus de zone de survitesse inhabituelle et on peut observer une zone de recouvrement La figure 3 11 montre l am lioration due au d clencheur Cependant cette am lioration s est pay e par une augmentation de l paisseur de la couche limite comme le montre la figure 3 12 b a 36 3 Aldo RTS pas Y uw me es E 3 3 i LR o z erete z ny oy a we 2 L J 8 in 3 fo rep 4 in 5 menes GR i L in R is f A E 4 od E i 4 L J E ET ey a ES TE EN ei Led ot Figure 3 10 Tension du fil chaud a z 96 mm sans d clencheur b z 114 mm sans d clencheur c z 96 mm avec d clencheur d z 114 mm avec d clencheur Hors de la couche limites X 31 75 cm X T cm A A RS STE ESS ner O 0 6 Figure 3 11 Profil de vitesse 4 X 483 mm et z 63 2 mm Pitot 8 apr s m
64. eur de d placement 0 o paisseur de quantit de mouvement 0 O facteur de forme H 4 4 4 Coefficient d coulement de retour et position du d collement Le calcul du coefficient d coulement de retour 4 3 3 permet de tracer des iso contours de x comme la figure 4 11 Ces mesures ont permis de d terminer la position du d collement En effet aucune mesure de frottement n a t effectu e La m thode utilis e est bas e sur la valeur du coefficient d coulement de retour la paroi xp Selon Simpson 2 une valeur de x 50 Transitory Detachment correspond en g n ral l annulation du frottement C 0 Detachment En prolongeant le contour 4 11 Cependant cette m thode est relativement peu pr cise car les mesures de y s arr tent 4 mm de la paroi et Pextrapolation utilis e est lin aire Or selon Dengel et Fernholz 4 l volution de x en fonction de y n est plus lin aire dans la r gion proche de la paroi Il y a donc un risque que la m thode utilis e surestime l g rement la position y cn o Figure 4 9 Exemple de contours de quantit s turbulentes a contours de 12 12 Pal lt tr gt b contours de lt tr gt c contours de SZ ext ext 2 ext du d collement 4 5 Validation des mesures Afin de tester la validit des mesures deux types de v rifications ont t effectu s Tout d abord les profils de vitesse moyenne V mesur s ave
65. fet inverse plus loin de la paroi A cet endroit le d collement a donc lieu plus en amont ayant pour effet de faire converger les lignes de courant vers les coins Ce tourbillon pourrait prendre son origine au niveau de la petite bosse au plancher En effet cet endroit il y a un gradient de vitesse n gatif en y qui pourrait induire une rotation de la vorticit de la couche limite lat rale initialement positive en y dans le sens de V coulement vorticit n gative en x La figure 5 6 sch matisc ce comportement au niveau de la bosse du plancher Toute tude ult ricure tant exclue avec ce sch ma de s paration la conception et la validation d un systeme de contr le des couches limites lat rales taient n cessaires Figure 5 6 Sch ma expliquant la formation du tourbillon dans le coin Les lignes noires paisses entour es de fl ches courbes repr sentent un tube de vor ticit 5 3 Plaques s paratrices Lors de P tude d coulements avec gradient de pression adverse les couches limites se d veloppant sur les parois lat rales viennent souvent interf rer avec coulement principal On obtient alors un coulement fortement tridimensionnel Pour rem dier 70 ce probl me plusieurs solutions de contr le des couches limites lat rales ont t utilis es par le pass voir section 1 4 2 Notre choix s est orient vers un syst me de plaques s paratrices inspir de celui de Buice et Eaton 7 Le con
66. ic de d pression et la zone de s paration a c 0 09 Ces mesures ont t r alis es par PIV st r oscopique mais la figure ne montre que les composantes dans le plan Les moyennes sont effectu es sur 50 champs de vitesse instantan e et donc ne permettent pas une analyse quantitative pr cise mais seulement une repr sentation de l coulement secondaire dans le coin La zone illustr e est situ e dans le coin inf rieur gauche 2 lt 0 de la section Les axes y et z de la figure sont situ s respectivement au niveau de la paroi lat rale et du plancher de la section oe ae 90 aes eee ai CR 4 80 Ke if CNE Mac t ft 4 70 OR ce fc ie 4 je 4 60 O 4 1 1 t y mm End 50 1i t t 1 4 t 40 E a z e 30 20 RUE 10 0 300 290 280 270 260 250 240 z mm Figure 5 5 Champs de vitesse perpendiculaire l coulement z c 0 09 dans le coin inf rieur gauche z lt 0 Des pseudo lignes de courant sont trac es pour visualiser la structure tourbillonaire 69 Il appara t clairement qu un tourbillon longitudinal est pr sent Son centre est situ e environ 10 mm de la paroi lat rale Ce tourbillon est fort probablement l origine des non uniformit s mises en vidences par les visualisations par film huile On peut avancer l hypoth se que cet coulement secondaire renforce la couche limite dans les coins en apportant du fluide plus grande quantit de mouvement alors qu il a l ef
67. igure 5 7 Ceci per met d aspirer les couches limites lat rales avant qu elles ne subissent l effet de la bosse du plancher De nouvelles couches limites se forment sur les plaques s paratrices mais elles sont beaucoup plus minces et perturbent donc beaucoup moins l coulement La largeur des canaux est bas e sur un estim plaque plane de l paisseur de la couche limite lat rale d apr s l exploration fil chaud figure 3 7 cette position X 140 mm et y 44 mm 00 99 15 mm En plaque plane on a can wae 5 1 V Donc X 140 mm correspond X 575 mm o Xp correspond la position quivalente par rapport au bord d attaque de la plaque plane imaginaire Le d but des plaques s paratrices se situe donc Xpp 1010 mm ce qui correspond une paisseur de couche limite 69 99 23 5 mm Les canaux ont donc une largeur de 31 75 mm permettant l aspiration de toute la couche limite Cette dimension est choisie car elle est standard 1 25 in ce qui permet une fabrication plus ais e des cales en aluminium 5 3 2 Caract ristiques des pertes de charges Afin que l coulement se s pare convenablement aux bords d attaque des plaques s paratrices des pertes de charges sont situ es la fin du canal central Deux syst mes Figure 5 8 Sch ma de la section d essai montrant les quatre parties des plaques s paratrices de pertes ont t test s La s paration de l coulement
68. ion A avec aspiration 40 35 30 25 6 99 mm 20 15 O it sD Oe dt 300 200 100 0 100 200 300 z mm Figure 3 14 Epaisseur de couche limite 49 99 apr s les modifications de Pentr e X 483 mm effet de l aspiration 0 sans aspiration A avec aspiration 40 40 ee 35 30 25 8 mm E 20 TTT TTT TTT TT 300 200 100 0 100 200 300 z min Figure 3 15 Epaisseur de couche limite 09 99 avec d clencheur X 483 mm effet de aspiration O sans aspiration A avec aspiration b 30 pitairrtdriiisirra peta biutirirr 0 TR Ver SA a Da VOS Pan ol 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 UJU UN ext Figure 3 16 Profils de vitesse X 483 mm avec d clencheur a sans aspiration b avec aspiration U Ue est la vitesse normalis e par la vitesse de V coulement Vext rieur de la couche limite O z 204 8 mm Pitot 3 A z 171 3 mm Pitot 4 V z 137 8 mm Pitot 5 gt z 70 8 mm Pitot 6 o z 3 8 mm Pitot 7 z 63 2 mm Pitot 8 o z 130 2 mm Pitot 9 x z 163 7 mm Pitot 10 z 197 2 mm Pitot 11 identique toutes les positions z la bidimensionnalit est p nalis e Dans le cas de la figure 3 14 l paisseur de la couche limite est effectivement diminu e Cependant on retrouve encore la survitesse anormale pour 0 2 lt y d lt 0 7 constat e sans l aspiration section 3 2 3 Apr s l ajout
69. ion Une validation de ce d calage est r alis par Moving average voir section 4 3 2 entre chaque it ration Puis un passage final avec une zone d interrogation de 64 x 64 pixels permet de trouver le d placement moyen dans chaque zone d interrogation Une fen tre de pond ration gaussienne k 0 71 est appliqu c sur chaque zone d image avant la FFT Window function Le but de ce filtre est de supprimer les particules fant mes cr es par le caract re cyclique de la FFT Etant donn que cette fen tre entraine une perte d information sur les c t s de la zone d interrogation on utilise un chevauchement overlap de 50 des zones d interrogation La fonction de pond ration est donn e par Waza G E de 2 4 2 oti M N sont les dimension de la zone d interrogation et m n les coordonn es des pixels m n 0 0 tant le centre de la zone Un autre filtre est appliqu cette fois ci apr s la corr lation avant la FFT inverse et la d tection du pic de corr lation Il s agit d un filtre passe bas gaussien k 3 d crit par 0 pour u v 0 0 W u v as 7 4 3 exp 5 AE ailleurs o u v sont les fr quences spatiales et U V la taille du domaine fr quentiel Ce filtre permet de r duire le bruit haute fr quence et d largir le pic de corr lation Cette 49 derni re propri t est utile car la m thode utilis e pour trouver la position du pic n cessite un pic suffisamment
70. ion et convergent 2 1 2 Sortie de la soufflerie Elle est compos e d une partie adaptant la section carr e de la section d essai la section circulaire de l h lice longueur 0 66 m 26 in d une partie divergente longueur 0 91 m 36 in et d une partic droite longueur 0 79 m 31 in dans laquelle se trouve Vh lice La figure 2 3 est une photographic de la sortie de la soufflerie Le divergent dispose d un c ne de guidage 4 mi rayon pour viter qu il y ait s paration L h lice est entrain e par un moteur lectrique de 5 5 kW aliment par le biais d un variateur de fr quence permettant d ajuster la vitesse de rotation de l h lice Ce variateur peut tre command distance par le port s rie de l ordinateur 19 Figure 2 3 Photo de la sortie de la soufflerie 2 1 3 Section d essai La section d essai a deux configurations vide et avec gradient de pression Les parois lat rales sont en verre ou en plexiglas permettant ainsi une bonne visibilit Les plaques en plexiglas peuvent tre usin es pour permettre le passage de syst mes de d placement La figure 2 4 est une photographie de la section d essai en configuration avec gradient de pression 2 1 3 1 Section d essai vide Dans le cas de la section d essai vide plafond et plancher sont constitu s de plaques d aluminium polies Le plafond est suspendu ce qui permet d en ajuster l angle pour contrer Peffet de c
71. ires au bon partage de l coulement aux my 3 bords d attaque des murs s parateurs L tanchcit entre la fin des plaques et le syst me de pertes est r alis e par du ruban adh sif Les mesures effectu es par la suite ont montr qu il n y avait pas d augmentation des pertes dans le temps comme avec le premier syst me Bord d attaque plaque s paratrice Figure 5 9 Photographie des brins de laines en amont du bord d attaque des plaques s paratrices rs eri 2 p jiii perere ers R FERERS gt ara a ne RPP en werset i H it i tit RSA 27 Fan 6 saett sise SECA EL REM ARH SATE Nees SAT x HER LE FOAGRAED ESS ES ERERES DEE SBESD Figure 5 10 Photographie des pertes de charge la sortie du canal central On voit le passage laiss libre pour les canaux lat raux 5 4 V rification de la bidimensionnalit L efficacit du syst me de contr le des couches limites lat rales sur la bidimensionnalit de P coulement a t valid e de plusicurs fagons Tout d abord des visualisations par films d huile ont permis de constater les effets des plaques puis les comparaisons de po diff rents param tres calcul s partir de mesures PIV plusieurs positions z ont servi de validation finale 5 4 1 Visualisations La figure 5 11 montre une comparaison des visualisations par films d huile au plancher avant ct apr s installation des plaque
72. itesse de couche limite et les tensions de Reynolds lt u gt lt V gt lt ww gt 5 5 3 1 Ecoulement moyen La figure 5 20 montre les volutions des param tres globaux dans le sens de l coulement La pr cision des valeurs de 6 0 et H n est pas tr s bonne tant donn le 82 AQ0 otro LL LE dde tdo LR EE do 300 a 200 4 a dC 1007 p 7 Sie d xic 1 SS ogg o Sa a ra a lp EP ED y a J i E 100 200 E ME E 400 PTT TEE TTT D Nes se 0 1 0 05 0 0 05 01 015 02 025 0 3 0 35 0 4 0 45 0 5 0 55 Q6 xie Figure 5 17 volution longitudinale du gradient de pression ay O R sultats exp rimentaux Re 1 5 x 10 calcul sur Pextrados d un profil NACA 2412 18 d incidence Re 1 5 x 10 corde 2 5 m peu de points de mesure pr s de la paroi voir section 4 3 3 On observe des dispersions importantes sur tous les param tres pour 0 185 lt x c lt 0 232 Elles sont dues au fait que pour cette acquisition le niveau de bruit tait tr s lev Une partie de ce bruit en x c 0 21 est due une r flexion de la tranche laser travers le plancher rayure mais il y a galement une zone de bruit lev de forme annulaire dont l origine n a pas t clairement d termin e Ce pourrait tre une r flexion de la lentille de l appareil photo On retrouve ce m me ph nom ne pour la mesure 0 343 lt a c lt 0 382 Il est mis en vidence par des valeurs de quantit s turbulentes
73. la figure 5 2 La figure a montre que l accord entre les vitesses V calcul e et mesur e est assez bon m me si les profils ne se superposent pas exactement Ceci ne semble pas tre d une composante de vitesse en z car comme le montre la figure 4 13 pour des profils se suivant distant d environ 61 62 15 mm la tendance alterne parfois les vitesses calcul es sont sup ricures aux vitesses mesur es et parfois l inverse L cart constat entre les profils aurait donc plut t pour origine les incertitudes de mesure La figure 4 12b montre que les valeurs de lt uv gt calcul es par int gration ne correspondent pas aux valeurs mesur es Ceci ne semble pas provenir des sch mas de d rivation et d int gration num rique car plusieurs con figurations ont t test es Les erreurs peuvent provenir du fait que les profils n ont pas t liss s les d riv s sont donc tr s sensibles au bruit Les incertitudes sur les mesures sont aussi l origine de ces diff rences Le fait que les statistiques ne sont r alis es que sur environ 1000 chantillons est une des causes de ces incertitudes Ceci entra ne une dispersion des profils des quantit s turbulentes cependant leur allure g n rale n est pas fauss e La principale source d erreur des mesures PIV est dans la plupart des cas et surtout pour les mesures en amont le manque de r solution spatiale Le tableau 4 3 indique la r solution spatiale des mesures PIV Ce ta
74. large Cette m thode Subpixel interpolation superpose une courbe gaussienne sur les donn es pour interpoler les largeur hauteur et position du pic de corr lation Ensuite le d placement est converti en vitesse pour chaque zone d interrogation et on obtient un champ de vitesse instantan e La figure 4 3 r sume les traitements effectu s sur les images pour obtenir la vitesse 4 3 2 Validations Plusieurs m thodes de validation de la vitesse obtenue ont t utilis es certaines ef fectu es directement avec FlowManager une autre avec Matlab Pour les premi res mesures la validation utilis e tait le Moving average Cette m thode calcule pour chaque zone la vitesse moyenne dans son entourage 3 x 3 zones dans notre cas et si l cart entre la vitesse de cette zone et la moyenne est sup rieur un crit re k le vecteur est rejet et substitu par la valeur moyenne Le crit re k est donn par k a max llv z y x y 4 4 UY o a est fix par l utilisateur 0 1 dans notre cas et x y sont les coordonn es des vecteurs dans le champ de vitesse Ce crit re est donc bas sur l cart maximum dans un champ instantan entre les vecteurs et la moyenne de leur voisinage Cette m thode a t abandonn e car elle agit en fait comme un filtre et n est pas bas e sur les propri t s de l coulement mais sur celles de chaque champ instantan Par exemple un champ instantan dans lequel il y a un point po
75. m effet de l aspiration O sans aspiration A avec aspiration 39 3 14 Epaisseur de couche limite do 99 apr s les modifications de l entr e X 483 mm effet de l aspiration O sans aspiration A avec aspiration 39 1 3 15 Epaisseur de couche limite 69 99 avec d clencheur X 483 mm effet de Vaspiration O sans aspiration A avec aspiration 40 3 16 Profils de vitesse X 483 mm avec d clencheur a sans aspiration b avec aspiration U U est la vitesse normalis e par la vitesse de V coulement l ext rieur de la couche limite O z 204 8 mm Pitot 3 A z 171 3 mm Pitot 4 V z 137 8 mm Pitot 5 gt z 70 8 mm Pitot 6 o z 3 8 mm Pitot 7 z 63 2 mm Pitot 8 o z 130 2 mm Pitot 9 x z 163 7 mm Pitot 10 z 197 2 mm 3 17 tat de la couche limite l entr e de la section d essai veine vide X 483 mm a Epaisseur de couche limite b paisseur de d placement c paisseur de quantit de mouvement d nombre de Reynolds bas sur 6 e param tre de forme f coefficient de frottement calcul par la m thode de Clauser 0 Essai 06 A essai 07 42 4 1 Sch ma d un montage PIV typique 44 4 2 R glage de att nuatenr 48 000 aa e ee 47 4 3 Traitement de donn es intercorr lation 2 0 20 0 0 00008 51 xi 4 4 4 6 4 7 4 8 4 9 4 10 4 11 4 12 4 13 9 1
76. ment vers les parois lat rales proches desquelles l coulement semble acc l r Entre ces zones extr mes et la zone centrale la couche limite semble affaiblie et s pare plus t t L interface entre ces zones affaiblies et les zones acc l r es semble donner naissance une structure tourbillon naire qui se d tache de la paroi en aval La photo 5 4 prise en amont de la pr c dente confirme le comportement suppos de l coulement expos ci dessus En effet on voit 6 68 que le frottement est tres grand proche des parois lat rales alors que juste un peu plus vers le centre celui ci est beaucoup plus faible Figure 5 3 Photographie des visualisations de la zone s par e Vue de dessus Les fl ches sont dessin es pour aider la compr hension La grande fl che indique le sens de l coulement Le bas de l image est environ r e 0 25 et le haut z c 0 48 Figure 5 4 Photographie des visualisations en amont de la zone s par e Vue de dessus La grande fl che indique le sens de l coulement Le bas de l image est environ c 0 13 et le haut x c 0 25 L origine soupgonn e du caract re tridimensionnel de l coulement est la r action des couches limites se d veloppant sur les parois lat rales aux gradients de vitesse longitudinaux et verticaux dus la g om tric de la section d essai La figure 3 5 montre le champ de vitesse perpendiculaire l coulement situ entre le p
77. mesur e avec un tube Pitot statique plac au centre de la section d essai Le tube Pitot statique est plac 1 35 m apr s l entr e de la section d essai et le gradient de pression en X est nul dans toute la section d essai Cette technique a l avantage d tre non intrusive une fois l talonnage r alis La figure 2 9 montre l talonnage du convergent r alis au d but et qui a t utilis pour les mesures pr sent es dans ce m moire 17 250 pda alii aly Lol A Wako ee ema PT Ting aoa sosea 200 ye E s 150 i AP pics Pa y 1 60658688x R 0 99999149 100 pei 4 1 on S E EE Sil eona eea 100 150 AP Convergent Pa Figure 2 9 talonnage du convergent 2 2 5 Mesure des profils de vitesse de la couche limite Initialement ces mesures taient faites avec un seul tube de Pitot mont sur un syst me de d placement en y la pression statique tant prise au plancher Mais ce montage n cessitait l arr t de la soufflerie pour changer le support du tube de position z Un peigne de tubes de Pitot a donc t labor comportant d abord 9 puis 13 tubes de Pitot figure 2 10 La position en z des tubes de Pitot est indiqu e au tableau 2 1 Le peigne est galement mont sur le systeme de d placement en y ce qui permet de mesurer les profils de vitesse dans la couche limite pour 13 positions z sans arr t de la soufflcrie Les tubes de Pitot sont reli s la Scanivalve dont la so
78. n d essai O R sultats exp rimentaux Re 1 5 x 10 distribution de pression sur l extrados d un profil NACA 2412 18 d incidence Re 1 5 x 10 corde 2 5 m r sultats exp rimentaux de Julien 1 Re 2 5 x 10 82 Evolution longitudinale du gradient de pression 9 I R sultats exp rimentaux Re 1 5 x 10 calcul sur l extrados d un profil NACA 2412 18 d incidence Re 1 5 x 105 corde 2 5 m 83 Contours de coefficient de retour x en en z 0 permettant de d terminer la position du d collement La fronti re de la couche limite est repr sent e par la ligne pointill e 84 a Emplacement des mesures PIV b distribution de pression 85 volution des param tres globaux dans le sens de l coulement a Epaisseur de la couche limite 6 b paisseur de d placement 6 c paisseur de quantit de mouvement 8 d facteur de forme H e Ro o Mesures PIV caculs sur l extrados d un profil NACA 2412 18 d incidence Re 1 5 x 10 corde 2 5 m 89 Evolution longitudinale de la vitesse de l coulement l ext rieur de la couche limite o Mesures PIV cacul partir de la distribution de PEOR iS eae ee Ba Behe de 90 Evolution longitudinale des profils de vitesse moyenne 91 xiv xt Ww o 5 30 Profils de vitesse d ficitaire normalis s par Ugg 0 8 o a c 0 076 O res
79. n est donc pas appropri e Une autre m thode de validation disponible dans FlowManager est le Range vali dation Cette m thode rejette tous les vecteurs dont les composantes d passent les limites fix es par l utilisateur Cette m thode est plus appropri e que la pr c dente pour ne retirer que les vecteurs qui ne sont pas physique outliers En revanche elle n cessite d tre prudent en fixant les limites pour ne pas retirer de bons vecteurs et pour retirer tous les outliers Cette m thode a t utilis e pour les mesures ayant servi v rifier la bidimensionnalit de l coulement La derni re m thode utilis e est un script Matlab ex cut partir de FlowManager En entr e il recoit tous les champs de vecteurs instantan s et en sortic il fournit une matrice des donn es statistiques en chaque point vitesses moyennes cart types coefficient de corr lation nombre de vecteurs valid s et laisse les donn es modifi es dans l espace de travail Matlab pour Vex cution d autres scripts section 4 3 3 Pour chaque position x y dans le plan de mesure les statistiques moyennes cart types sont calcul es partir de tous les champs instantan s Ensuite pour tous les champs instantan s et pour chaque position l cart entre la vitesse instantan e et la vitesse moyenne cette position est calcul et si celui ci d passe un certain nombre de fois l cart type le vecteur est rejet son statut pas
80. nce de fuites A apr s modifications des cadres tanch it refaite o Profils de vitesse X 483 mm apr s les modifications de l entr e de la soufflerie U Uezt est la vitesse normalis e par la vitesse de l coulement l ext rieur de la couche limite O z 204 8 mm Pitot 3 A z 171 3 mm Pitot 4 V z 137 8 mm Pitot 5 gt z 70 8 mm Pitot 6 o z 3 8 mm Pitot 7 z 63 2 mm Pitot 8 o z 130 2 mm Pitot 9 x z 163 7 mm Pitot 10 z 197 2 mm Pitot 11 Profil DNS 10 pour Reg 1410 3 25 d aussi nana ess Tension du fil chaud a z 96 mm sans d clencheur b z 114 mm sans d clencheur c z 96 mm avec d clencheur d z 114 mm avec d clencheur Hors de la couche limite X 31 75 O A coe ce od A Peed DAE ah eed A a eS 29 31 32 33 34 3 11 Profil de vitesse X 483 mm et z 63 2 mm Pitot 8 apr s modi fications des cadres effet du d clencheur O sans d clencheur A avec d clencheur Profil DNS 10 pour Reg 1410 Une seule position z est montr e pour des raisons de clart le comportement aux autres positions est similaire isa a ees 37 3 12 Epaisseur de la couche limite X 483 min apr s modifications des cadres effet du d clencheur O sans d clencheur A avec d clencheur 37 3 13 Epaisseur de couche limite 09 99 avant les modifications de l entr e X 483 m
81. ns apport es l environnement de l entr e la disposition des cadres et l tanch it de ceux ci et de la chambre de tranquillisation La visualisation avec des brins de laine Figure 3 2 Visualisation l huile pigment e La direction de l coulement est du haut vers le bas a c t des z gt 0 b c t des z lt 0 KC TT 200 10 de U eo z mm Figure 3 3 Champs de vitesse du coin X 140 mm z gt 0 Les axes du bas et de droite sont au niveau du plancher et de la paroi lat rale droite 26 au plancher a permis de faire une premi re validation des r sultats de ces tests Au final on s est aper u que l coulement tait tres sensible ces facteurs Il s est av r n cessaire d effectuer un travail approfondi sur l entr e de la soufflerie entr e chambre de tranquillisation convergent avant de pouvoir envisager de travailler avec la section dessai modifi e La section suivante fait tat des probl mes constat s des solutions choisies et des r sultats obtenus gr ce ces modifications 3 2 Modifications de l entr e de la soufflerie 3 2 1 Probl mes constat s Toute la partie entr e de la souffleric est r alis e en bois Il s agit de la chambre de tranquilisation des cadres supportant le nid d abeille et les grillages et du convergent Ce mat riau est tr s sensible la temp rature et au
82. odifications des cadres effet du d clencheur O sans d clencheur A avec d clencheur Profil DNS 10 pour Reg 1410 Une seule position z est montr e pour des raisons de clart le comportement aux autres positions est similaire 40 ST ot pea pe et eh ip ah oh a fl HENSRSNERESSANSENSANENNENNE Figure 3 12 Epaisseur de la couche limite X 483 mm apr s modifications des cadres effet du d clencheur sans d clencheur A avec d clencheur 3 4 Aspiration Le syst me d aspiration au plancher au d but de la section d essai a t utilis aux diff rentes tapes des modifications effectu es pour tenter d am liorer la qualit de la couche limite Pour mesurer la vitesse d aspiration un tube Pitot statique est install dans la gorge du convergent de Vaspiration Le rapport des sections au niveau de la fente d aspiration et du tube Pitot statique est de 3 83 La vitesse d aspiration Uasp est alors donn e par 1 2A Pi Uasp 3 83 p 3 2 Pour caract riser la vitesse d aspiration Hucho 12 utilise le param tre C d fini par es Ut Co g Uso dz 0 3 3 de la fente d aspiration Selon lui en plaque plane on obtient une r duction de moiti de l paisseur de d placement de la couche limite pour C 3 5 Dans notre cas est estim e partir des profils de vitesse de couche limite faits en aval Par exemple dans le cas avant les modifications de l entr e on a une paisse
83. onvergence d l paississement des couches limites se d veloppant sur les quatre parois de la section Les plaques d aluminium au plancher sont inter changeables ce qui permet de nombreuses configurations Ces plaques sont toutes munies de prises de pression statique au centre z 0 de telle sorte qu on dispose d une prise de pression statique tous les 30 48 cm 12 in Certaines disposent en plus de trous de 2 54 cm 1 in de diam tre refermables avec des bouchons de laitons per mettant le passage de syst mes de d placement Des trous de ce type sont galement pr sents au plafond 11 Figure 2 4 Photo de la section d essai 2 1 3 2 Section d essai avec gradient de pression La configuration avec gradient de pression est obtenue par d formation de la g om tric de la section d essai voir figure 2 5 La forme de la section a t congue par Steve Julien 1 lors de son projet de ma trise Le plafond se compose d une partie con vergente d une partie divergente plane et d une derni re partie parall le au plancher Le rapport de contraction dans la partie convergente a t calcul pour obtenir un rapport de vitesse semblable un profil d aile conventionnel Plusieurs formes de contraction ont t simul es num riquement solveur potentiel coupl une m thode int grale de calcul de couches limites et test es dans le laboratoire Il s agissait d obtenir le bon rapport de vitesse en vitant tout d
84. orme en s loignant du centre vers les z positifs Une mauvaise s paration de l coulement aux bord d attaque des plaques s paratrices de ce c t pourrait tre l origine de cette diff rence de comportement Mais des visualisations par fum e illumin e par la tranche laser du syst me PIV n ont pas r v l de diff rence notable entre les c t s gauche et droit de la veine d essai Le coefficient d coulement de retour x a t calcul dans tout le plan pour chaque position z et le lieu du d collement est estim selon la m thode expos e la section 4 4 4 La position du point de d collement est report e en fonction de la position z sur la figure 5 14 Le d collement a lieu peu pr s au m me x pour toute l envergure 0 247 lt x c lt 0 336 et au centre x c 0 325 Ces mesures nous permettent de dire que m me si la ligne de d collement n est pas unc ligne parfaitement droite et que les param tres globaux varient quelque peu en envergure l allure g n rale du d collement est bien 2D ct l am lioration apport e par le syst me de contr le des couches limites lat rales est notoire Un d collement parfaitement 2D est de toute fa on impossible obtenir exp rimentalement Ce type de d collement s en rapproche fortement et devrait permettre une tude convenable des effets de m canismes de contr le sur le d collement 5 5 Caract risation de l coulement La section pr c dente montre
85. osition pour laquelle yp 50 C est cette position qui d finit la position du d collement En gradient de pression adverse l activit turbulente la paroi est faible contrairement au cas sans gradient de pression Le maximum des quantit s turbulentes s loigne de la paroi jusqu unc position y d amp 0 5 Simpson 3 et sa valeur augmente vers l aval Cet loignement est li P loignement de la paroi du maximum de gradient de vitesse x qui joue un r le dans les termes de production de turbulence Dengel et Fernholz 4 1 4 2 Syst me de contr le des couches limites se d veloppant sur les parois lat rales Lors de l tude d coulements avec gradient de pression adverse les couches limites des parois lat rales viennent souvent interf rer avec l coulement principal On obtient alors un coulement fortement tridimensionnel Pour rem dier ce probl me plusieurs solutions ont t utilis es dans des tudes ant rieures Certains auteurs comme Dengel et Fernholz 4 s affranchissent des effets de bord en utilisant comme surface d tude un cylindre align avec l coulement au centre de la section d essai Elsberry et al 5 dans le cadre de leur tude d une couche limite maintenue proche de la s paration ont d faire face ce type de probl me dans leur divergent asym trique Ils ont tout d abord ajout des plaques de chaque c t l int rieur de la veine d essai sur lesquell
86. otrope avec des valeurs de lt gt Ula i sc 12 a ee 3 4 fois sup rieures celles de 4 Elsberry et al 5 indiquaient des valeurs de ext composante longitudinale 3 fois sup rieures celles de la composante transversale La figure 5 30 montre l volution de la turbulence locale 5 5 4 Conclusion Les mesures effectu es sur le montage final montrent que l coulement obtenu est sat isfaisant La distribution de pression dans la section d essai est comparable celle de l extrados d un profil conventionnel grand angle d incidence Le nombre de Reynolds red r atteint est Re 1 5 x 10 La position du d collement est suffisamment en aval pour 8 permettre les tudes futures La couche limite se d veloppant au plancher a un com portement typique de couches limites subissant un gradient de pression adverse Ce qui se traduit pour l coulement moyen par une augmentation importante des param tres globaux un coulement de retour visible sur les profils de vitesse moyenne et par une diminution de l activit turbulente proche de la paroi remplac e par une activit tur bulente croissante s loignant de la paroi quand x augmente 88 a a E NL ET rr a 100 j on l o wo oo H e 80 Cii lo pal mm ne me o 60 p ae y o t o o 40 so fe o o L 8 be wW A 20 F a x fe akties PE AAE EOE 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 0 35 0 4 ale 20 prin FETTI EFTTETTFIT Sd a nd a st a D 1e
87. r 99 l paisseur de la couche limite Cependant en plus d avoir l effet escompt l aspiration diminuait Puniformit de la couche limite Ce syst me n a donc pas t utilis Ensuite la section d essai g om trie modifi e a t install e A nouveau l uniformit de l coulement a t v rifi e Des visualisations par film d huile ont r v l que dans la r gion du d collement l coulement avait un caract re clairement tridimen sionnel L origine soup onn e de ces non uniformit s est la r action des couches limites se d veloppant sur les parois lat rales aux gradients de pression cr s par la g om trie modifi e Pour viter l interaction de ces couches limites avec le reste de l coulement un syst me de contr le a t mis en place Il s agit de plaques s paratrices lat rales qui permettent d aspirer ces couches limites cn amont du pic de d pression Ce syst me a permis d obtenir un coulement beaucoup plus uniforme en envergure Il reste tout de m me des non uniformit s le d collement a lieu pour 0 247 lt x c lt 0 336 avec une valeur au centre de r c 0 325 Cependant ce degr de non uniformit a t jug acceptable Ces am liorations ont t v rifi es laide du syst me de mesure PIV Le d veloppement longitudinal de la couche limite galement t qualifi avec des mesures PIV Apr s l ajout des plaques s paratrices il a t v rifi que la distribu
88. r am liorer la qualit de la couche limite en entr e de la section d essai La seconde tape fut d obtenir une couche limite bien uniforme en envergure malgr le fort gradient de pression adverse d la g om trie modifi e de la section d essai Ce m moire pr sente tout d abord une description des installations et de Vinstrumentation La seconde partie pr sente le travail effectu pour am liorer V coulement avec la section d essai non modifi e Ensuite un chapitre est d di la v locim trie par image de particule PIV car ce syst me de mesure a fourni la plupart des derniers r sultats Le dernier chapitre pr sente le travail effectu avec la section d essai modifi e 1 4 G n ralit s 1 4 1 Gradient de pression adverse et d collement Les articles de Simpson 2 et 3 ont t utilis s pour leurs d finitions et leurs observa tions g n rales sur le processus de d collement d une couche limite turbulente Dengel et Fernholz 4 ont tudi une couche limite turbulente se d veloppant en gra dient de pression adverse Dans leur cas le gradient de pression est contr l afin d amener la couche limite tr s proche du d collement Le gradient de pression est donc beaucoup moins drastique que dans la section d essai pr sent e dans ce m moire n anmoins des comparaisons quant l volution des quantit s turbulentes ainsi que sur la d termination de la position du d collement ont pu tre
89. r qui prot ge cette th se Ni la th se ni des extraits substantiels de celle ci ne doivent tre imprim s ou aturement reproduits sans son autorisation In compliance with the Canadian Privacy Act some supporting forms may have been removed from this dissertation While these forms may be included in the document page count their removal does not represent any loss of content from the dissertation E E Canada Conform ment la loi canadienne sur la protection de la vie priv e quelques formulaires secondaires ont t enlev s de ce manuscrit Bien que ces formulaires aient inclus dans la pagination il n y aura aucun contenu manquant R sum court Ce m moire pr sente les r sultats du travail sur la soufflerie couche limite du Laboratoire de m canique des fluides de l Universit Laval Il entre dans le cadre d un projet de recherche sur des m canismes passifs de contr le du d collement de la couche limite et sur sa structure dans la r gion d coll e La section d essai a donc une g om trie particuli re permettant d obtenir une distribution de pression similaire celle trouv e sur l extrados d un profil d aile conventionnel grand angle d incidence L objectif de cette ma trise tait de r duire les non uniformit s de la couche limite Ceci fut r alis en deux tapes La premi re consista en de nombreuses modifications de l entr e de la soufflerie La seconde tape fut de r aliser
90. ras est pos e sur une base fix e sur le m me support que le laser L alignement des deux faisceaux laser a t r alis avec du papier photographique Il s agissait de s assurer que les deux rayons impriment le papier au m me endroit la fois en champ lointain 3 m de la sortie du laser et en champ proche quelques centim tres de la sortie Le r glage s effectue en ajustant la position des miroirs situ s sous le capot protecteur Ce r glage est sens ne pas bouger dans le temps En revanche il est n cessaire de faire un ajustement du miroir situ dans la base du bras et ceci pour chaque nouvelle position du bras Ce r glage s effectue l aide des deux vis situ es dans la base Il faut veiller ce que les deux tranches laser ne soient pas tronqu es 4 2 3 Appareil photographique Afin de pouvoir faire des acquisitions PIV st r oscopiques permettant d obtenir les trois composantes de la vitesse le syst me comprend deux appareils photos num riques Ce sont des 80C60 HiSense PIV PLIF camera munis de capteurs CCD de 1280 x 1024 pixels Ces appareils permettent de prendre deux prises de vue un intervalle de temps tr s petit Atmin 0 248 et la fr quence maximum d acquisition de paires d images est de 4 5 Hz C est cette fr quence qui limite la fr quence d acquisition du syst me PIV Celle ci est due au temps de transfert des images Les appareils HiSense sont con nect s un contr leur faisant l interfa
91. rtie est reli e la prise du capteur de pression sa prise tant reli e 4 une prise de pression statique g n ralement au plafond de la soufflerie pour viter les interactions avec le peigne de Pitot Pour corriger l effet du gradient de vitesse sur la pression totale mesur e par le tube de Pitot la position y de la sonde est ajust e selon la m thode de Zagarola et 18 19 Smits 8 yc y Ay et la correction Ay appliquer est donn e par Ay Diube 2 2 o Dube est le diam tre ext rieur du tube de Pitot et est donn par 0 18 a 0 170 2 3 et 1 dU Dive Me 2 4 m dy 2 va o c indique que la quantit est valu e au centre du tube de Pitot No du tube Position z mm No du tube TAN Position z mm 63 2 130 2 Figure 2 10 Peigne de tubes de Pitot 13 tubes mont sur le syst me de d placement en y 2 2 6 An mom trie fil chaud L an mom trie fil chaud a t utilis e plusieurs fins mesures de champs de vitesse moyenne dans l coulement potentiel et d tection de la transition de la couche limite au plancher Dans les deux cas on utilise des an mom tres temp rature constante de type TSI 1750 Dans le premier cas une sonde deux fils crois s de marque DISA Type 55 P61 munie de fils de tungst ne de 5 um de diam tre est mont e sur un syst me de d placement 2 axes y et z Dans le second il s agit d une sonde Auspex gal
92. rumentation et techniques de mesure 15 2 2 1 Syst me d acquisition de donn es 15 2 2 2 Mesure de temp rature 16 2 2 3 Mesure de pression ss an aoa a pen BO Re 16 2 2 4 Mesure de la vitesse de r f rence 17 2 2 5 Mesure des profils de vitesse de la couche limite 18 2 2 6 An mom trie fil chaud 20 2 2 7 Syst mes de d placement 20 2 2 8 Techniques de visualisation 21 2 2 8 1 Visualisation par brins de laine 21 2 2 8 2 Visualisation par huile pigment e 21 22 9 Systeme PIV geni TT LE 4 igh ES D TE Vee Ge a 22 3 Section d essai non modifi e veine vide 23 BL Problematis e isa Ms re ARE dr dite Rah Eds es 23 3 1 1 Profils de vitesse de couche limite 23 32 WiSUANSA TIONS gt Gy on Yo an dete ant p bre ht a ok 24 3 1 3 Champ de vitesse fil chaud 24 3 2 Modifications de l entr e de la soufflerie 27 3 2 1 Probl mes constat s Sida Ea annee eo a 27 3 2 2 changements effectu s 27 3 2 3 R sultats des modifications 29 3 3 Transition mise en place d un d clencheur 34 A nt 2 d etre Samedi Sun tre 38 3 5 Caract risation de l coulement 41 4 V locim trie par image de particules P
93. s s seulement dans la configuration sans gradient de pression puis du nid d abeille et de trois grillages Les filtres servent liminer la pr sence de particules qui pourraicnt endommager les appareils de mesure fil chaud Le nid d abeille sert es sentiellement briser les grosses structures pr sentent dans l coulement d entr e de la soufflerie Et les grillages g n rent de la turbulence de grille qui permet d homog n iser l coulement vitesse taux de turbulence Un travail important t fait sur la qualit de la chambre de tranquillisation les d tails sont donn s la section 3 2 Ses dimen sions sont 2 29 m x 0 61 m x 0 97 m 90 in x 24 in x 38 in Le convergent de type 8 Figure 2 1 Vue d ensemble de la soufflerie bidimensionnel un rapport de section 5 1 Les dimensions de la section d entr e sont 2 29 m x 0 61 m et celles de la section de sortie sont 0 46 m x 0 61 m 18 in x 24 in La longueur du convergent est 2 34 m 92 in Le joint entre la sortie du convergent et l entr e de la section d essai est r alis avec du silicone pour le plancher et le plafond et par un joint de mousse cellules ferm es pour les parois lat rales Les trois derniers sont recouvert d une bande de rugosit permettant de s assurer que les couches limites entrant dans la section d essai sont turbulentes et de couvrir le joint Figure 2 2 Photo de l entr e de la soufflerie chambre de tranquillisat
94. s s paratrices Il est noter que le nombre de Reynolds est de Re 2 5 x 10 dans le premier cas et de Re 1 5 x 10 dans le second amp cause des pertes ajout es Les deux photographies pr sentent la m me partie du plancher o a lieu le d collement Il appara t tr s clairement que le syst me de contr le am ne une nette am lioration au caract re bidimensionnel du d collement Dans le cas avec contr le le frottement dans la r gion photographi e est trop faible pour entra ner significativement Vhuile et les pigments Cependant en observant pendant l essai le d placement de Vhuile semblait tre peu pr s semblable pour toute l envergure La photo 5 12 montre les lignes de frottements en amont avec le syst me de contr le Celles ci sont bien parall les align es avec la direction de l coulement et leurs longueurs pratiquement identiques confirmant que l coulement est beaucoup plus bidimensionnel gr ce au syst me de contr le b Figure 5 11 Comparaison des visualisations dans la zone s par e a sans les plaques s paratrices b avec les plaques s paratrices Le bas des images est environ a c 0 25 et le haut z c 0 48 Figure 5 12 Photographie des visualisations en amont de la zone s par e Vue de dessus La fl che indique le sens de l coulement Le bas de l image est environ z c 0 12 et le haut z c 0 36 5 4 2 Mesures PIV Les visualisations indiquant une nett
95. se de 0 1 Les statistiques sont nouveau calcul es avec les vecteurs valid s seulement Ce script ecarttype m a t r alis par tienne Pelletier tudiant de premier cycle Cette derni re m thode est la plus appropri e car elle se base sur le comportement local de l coulement Elle est utilis e sur les donn es pr sent es la section 5 5 3 le crit re choisi est 5 fois l cart type 4 3 3 Calculs FlowManager permet de calculer le champ de vitesse moyen partir des champs ins tantan s Il dispose d autres possibilit s telles que le calcul de vorticit et des lignes de courant et un lien vers Matlab permettant d utiliser des scripts de calculs divers comme le script de validation ecarttype m Les r sultats PIV pr sent s au chapitre 5 ont t calcul s avec les scripts ParamGlobaux m et coefretour m r alis s par l auteur Le premier ParamGlobaux m permet partir des statistiques sur une acquisition cal cul es par FlowManager ou par le script ecarttype m de calculer plusieurs param tres de couche limite Il y a en fait deux fichiers de sortie Le premier Param xxx dat re groupe ces param tres En fonctions de la position X on trouve la vitesse l ext rieur de la couche limite Uert l paisseur de couche limite 6 l paisseur de d placement 5 l paisseur de quantit de mouvement 9 le facteur de forme H et le coef ficient de frottement Cf La vitesse ext rieure est c
96. sion pari tale Re nombre de Reynolds Reg nombre de Reynolds bas sur l paisseur de quantit de mouvement t temps T temp rature de P coulement T temp rature du fil chaud To temp rature ambiante U vitesse moyenne longitudinale Urey vitesse de r f rence mesur e dans le convergent talonnage r alis avec la section d essai modifi e Us vitesse en amont mesur e dans le convergent talonnage r alis avec la section d essai a vide Uat Vitesse moyenne longitudinale l ext rieur de la couche limite Uasp vitesse d aspiration au plancher U vitesse de frottement UT vitesse normalis e par les variables de paroi u fluctuation de vitesse longitudinale V vitesse moyenne verticale v fluctuation de vitesse verticale W vitesse moyenne transversale X position longitudinale par rapport l entr e de la section d essai Xpp position longitudinale en plaque plane r e coordonn e longitudinale normalis e par la corde du profil quivalent c 2 5m et dont l origine est situ e au niveau du pic de d pression X 795 5 mm x e X 795 5 2500 x position du d collement y position verticale ye position verticale corrig e pour l effet du gradient de vitesse dans le cadre des mesures au tube de Pitot z position transversale x coefficient d coulement de retour Xp coefficient d coulement de retour la paroi 6 ou 69 99 p
97. son 2 Cette diff rence peut tre due au fait qu on surestime la position de la s paration voir section 4 4 4 Cependant le type d coulement dans ces deux cas est diff rent de celui pr sent En effet dans notre cas le gradient de pression ad verse est tr s drastique et Gleyzes 6 dans un cas similaire profil d aile AS240 13 d incidence obtient une valeur de H d environ 4 au niveau du d collement Cy 0 Pour le profil NACA 2412 18 incidence le param tre de forme calcul avec XFOIL 84 api ied 5 b i a il o euro I th Tn Da Pau 5 md Ppnopapoooapan anparoan Ses te 1 MELLE ET EE RES o a A A E EA 0 2 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 x c m GRR SERA a aa ia CR a a a a y y T T i 0 0 5 1 15 X m 2 2 5 3 3 5 Figure 5 19 a Emplacement des mesures PIV b distribution de pression 16 est d environ 3 9 au point de d collement Cy 0 La figure 5 21 montre l volution en x de la vitesse l ext rieur de la couche limite Uert calcul e partir des mesures PIV section 4 3 3 L accord entre les vitesses mesur es avec le PIV et celles calcul es partir de la distribution de pression est bon On peut observer la forte d c l ration due au gradient de pression adverse puis une stabilisation de la vitesse avec la diminution du gradient de pression rr L volution des profils de vitesse longitudinale moyenne U de la couche limite est pr
98. st de 2 54 cm Lpo Afin que la continuit de la paroi soit bonne entre les cadres ceux ci sont emboit s les uns dans les autres grace 4 des paulements Pour des raisons de continuit de paroi toujours les passages de l entr e de la chambre au premier cadre et du dernier cadre au convergent ont t ponc s et finis avec du mastique puis repeints De plus pour que la section d coulement ne soit pas affect e par les d fauts g om triques de la chambre de tranquillisation les cadres ne sont plus pos s sur son plancher mais sur une plaque ind pendante appuy e au sol et ne touchent pas les parois de la chambre En ce qui concerne l tanch it il a t apport beaucoup de soin chacun des joints V coulement s av rant tr s sensible la moindre fuite Particuli rement de la mousse cellules ferm es compose le joint entre le dernier cadre et le convergent car des fuites cet endroit provoquaient du soufflage auquel l coulement s est av r tr s sensible La figure 3 4 montre le probl me caus par un d faut d tanch it le profil est tr s diff rent z 70 8 mm Les grillages ont t r cup r s et d barrass s des d p ts de peinture et de colle avant d tre mont s sur les cadres par le biais d un syst me de tension Avant les grillages taient juste serr s ou coll s entre les deux parties du cadre ce qui ne permettait aucun ajustement ult rieur de la tension De plus le syst me de
99. tif du projet de maitrise pr sent ici tait donc de r duire le plus possible les non uniformit s de la couche limite se d veloppant au plancher Il a donc t n cessaire de d terminer la provenance des non uniformit s et d agir sur le montage afin de les supprimer Tout d abord l tude de la couche limite se d veloppant dans la section d essai non modifi e sans gradient de pression a t r alis e Celle ci a montr e que certaines des non uniformit s prenaient leur origine en amont de la section d essai Un travail important a donc t r alis dans Ventr e de la soufflerie La modification des cadres supportant les filtres de la chambre de tranquillisation et du convergent a permis d am liorer grandement la bidimensionnalit de l coulement ii Ensuite V tude de la couche limite subissant le gradient de pression a r v l Veffet n faste des couches limites se d veloppant sur les parois lat rales Un syst me de contr le de ces couches limites a done t con u et valid Il s agit d un syst me de plaques s paratrices Celui ci a permis une nette am lioration de l uniformit de la couche limite tudi e Antoine V nisse Yvan Maciel iji Avant propos Je souhaite remercier les professeurs du laboratoire de m canique des fluides pour leur soutien En particulier Yvan Maciel mon directeur de recherche qui m a orient tout au long de mon projet Je remercie galement le personnel
100. tion de pres sion est toujours telle que d sir e On obtient done un pic de d pression avec un Comin 15 7 suivit d un fort gradient de pression adverse Le nombre de Reynolds atteint est Re 1 5 x 10 L volution longitudinale de la couche limite est typique de celles subissant un fort gradient de pression adverse Le param tre de forme aug mente tr s rapidement sous l effet du gradient de pression avec une valeur de 3 8 au niveau du d collement L volution des quantit s turbulentes pr sente galement un comportement semblable a ceux observ s dans des tudes ant rieures de m me type Les conditions sont donc r unies pour permettre l tude de syst mes de contr le du d collement de la couche limite 100 Bibliographie 11 Julien S 2003 Nouvelle approche exp rimentale pour l tude de couches limites d coll es D partement de g nie m canique Universit Laval Qu bec Canada Simpson R L 1989 Turbulent boundary layer separation Ann Rev Fluid Mech 1989 vol 21 pp 205 234 Simpson R L 1991 The Structure of the Near Wall Region of Two Dimensional Turbulent Separated Flow Philosophical Transactions Physical Sciences and Engi neering vol 336 Issue 1640 Turbulent Flow Structure near Walls Part I Jul 15 1991 pp 5 17 Dengel P Fernholz H H 1989 An experimental investigation of an incompress ible turbulent boundary layer in the vicinity of separation J Fluid M
101. tr le de l coulement se fait par des pertes de charges r glables plac es la sortie du canal central section d essai La figure 5 7 montre le positionnement du syst me de contr le Le r glage des pertes a t fait l aide de visualisation brins de laine dans un premier temps puis une validation plus fine de la bidimensionnalit a t r alis e ult rieurement Ce syst me appara t le plus simple mettre en uvre car il s agit d un contr le passif Un syst me d aspiration des couches limites lat rales avait tout d abord t envisag mais il n cessiterait une forte puissance d aspiration tant donn que celle ci se ferait proche du pic de d pression o le Cp est d environ 16 En revanche l inconv nient majeur de notre syst me est une r duction de la vitesse dans la section d essai et donc du nombre de Reynolds due aux pertes rajout es et la puissance limit e du moteur Les plaques s paratrices conduisent aussi une r duction de la largeur et donc du rapport largeur longueur de la section Un autre risque est celui de diminuer la visibilit par les c t s n cessaire pour les mesures PIV Toutes les mesures effectu es apr s la mise en place du syst me de contr le sont r alis es un nombre de Reynolds Re 1 5 x 10 Cette baisse par rapport au nombre de Reynolds initial Re 2 5 x 10 est due aux pertes suppl mentaires engendr es par les plaques s paratrices et les pertes de charges r
102. trent galement que pour les couches limites turbu lentes il existe une solution de similarit de couche limite d quilibre pour la r gion externe l g rement diff rente de celle propos e par Clauser Cette solution est d finie par la loi en puissance sun 5 8 o A est le param tre de gradient de pression d finit par 6 Wert _ Veni d dx dx A La figure 5 24 pr sente Uere en fonction de en chelle logarithmique ainsi que interpolation lin aire utilis e pour trouver A La valeur trouv e A 0 24 se rap proche de la valeur propos e par Castillo et George 19 pour les cas avec gradient de pression adverse qui est A 0 22 La couche limite aux positions les plus amonts semble donc tre en tat d quilibre malgr l volution relativement rapide du gradient de pression Les mesures exp rimentales les plus en aval s cartent de la loi en puis sance Ceci peut tre du l approche du d collement comme cela avait t constat par Castillo et George 19 Ces derniers points semblent galement suivre une loi du m me type mais avec une valeur de A diff rente A 0 10 comme le montre la figure 5 24 86 5 5 3 2 Turbulence Les figures 5 25 5 26 et 5 27 montrent l volution en x des quantit s turbulentes re spectivement lt u gt lt v gt et lt uv gt normalis es par la vitesse ext rieure la couche limite Lors des acquisitions pour 0 185 lt 2 c lt 0 232 et 0 343 lt
103. ules sont introduites dans l coulement pour le mat rialiser et celles ci refl tent la lumi re du laser mise au moment de la photographie Chaque image est subdivis e en plusieurs zones d interrogation et pour chacune de ces zones le d placement moyen des particules Ax est calcul en faisant l intercorr lation des deux portions d image Finalement la vitesse de l coulement dans chaque zone est estim e selon la formule suivante _ Az U _ 4 1 Les particules d ensemencement doivent done bien suivre celles de P coulement car c est leur vitesse qui est calcul e et non celle de l coulement directement Le r sultat obtenu est un champ de vitesse instantan e Les mesures PIV n cessitent donc plusieurs composantes voir figure 4 1 sch ma montrant un montage e L ensemencement particules permettant de mat rialiser coulement 43 44 e Le laser permettant d illuminer les particules dans le domaine de mesure au moment de la photographie e L appareil photo permettant d acqu rir les images e L ordinateur permettant le stockage et le traitement des donn es e Une unit de contr le pour synchroniser tous les l ments Laser a Unit de contr le et de synchronisation 7 Er Appareil photo a PC Particules d ensemencement Figure 4 1 Sch ma d un montage PIV typique Cette technique de mesure a pour avantage de permettre l acquisition simultan e des vit
104. ultat brut d une acquisition PIV est une paire d images La figure 4 4 pr sente un exemple d image PIV Le contraste et la luminosit ont t ajust s afin que les particules soient plus faciles voir Comme il est d crit la section 4 3 1 l intercorr lation de ces deux signaux permet d obtenir un champ de vitesse instantan e La figure 4 5 montre quatre exemples de champs instantan s et la figure 4 6 montre le champ de vitesse moyenne correspondant obtenu partir de 1000 champs instantan s de ce type Il est aussi possible de visualiser le nombre de vecteurs valides chaque position du plan de mesure Ceci permet de v rifier si les donn es sont utilisables ct o sont les zones qui posent probl me Sur la figure 4 7 on voit une zone au centre o il y a moins de vecteurs valides Une r flexion du laser travers la plaque de Plexiglas est l origine de ces erreurs Figure 4 4 Exemple d image acquise avec le syst me PIV La ligne lumineuse au bas de l image correspond la reflexion du laser sur la paroi en Plexiglas 4 4 2 Param tres globaux de couche limite La figure 4 8 pr sente les r sultats des calculs de param tres de couche limite r alis s partir du champ moyen pr sent figure 4 6 L volution par plateaux de l paisseur est due la fa on dont elle est d termin e voir section 4 3 3 4 4 3 Quantit s turbulentes 2 gt ainsi que la corr lation lt wv gt du Les t
105. ur de d placement moyenne de 4 04 mm en X 457 2 mm L paisseur de d placement estim e avec l volution plaque plane Ventr e de la section d essai X 0 est 6 3 04 mm Donc pour obtenir une r duction de moiti de l paisseur de d placement C4 3 5 il faudrait une vitesse d aspiration U sp 2 67 m s Cependant le syst me d aspiration s est av r capable de fournir une vitesse d aspiration maximum d environ 2 m s Il a donc t utilis la vitesse maximum La figure 3 13 montre l effet de l aspiration sur l paisseur 6 avant les modifications de l entr e de la soufflerie Alors que la figure 3 14 montre l effet de l aspiration apr s les modifications L effet de l aspiration apr s ajout du d clencheur est montr la figure 3 15 En g n ral les effets constat s sont une diminution de l paisseur de la couche limite mais cette diminution n est pas forc ment uniforme Le premier effet est b n fique car en r duisant l paisseur de la couche limite on se rapproche plus du cas simul couche limite sur Vextrados d une aile En revanche la r duction de l paisseur n tant pas 38 39 40 TEST 9 D RS A DS D D D ES DS OS OS D D PATEAR 355 30 25 8 9 mm 20 FE Wee enh te a PALA 3 300 200 100 0 100 200 300 z mm Figure 3 13 paisseur de couche limite 0 59 avant les modifications de l entr e X 483 mm effet de aspiration O sans aspirat
106. ur lequel la vitesse est tr s grande du une erreur de corr lation outlier ne verra que quelques uns de ses vecteurs modifi s Alors qu un champ de vecteurs dans lequel il n y a pas d outlier verra un grand nombre de ses vecteurs modifi s car k sera petit alors qu ils taient corrects De plus parce que le crit re est un crit re relatif et non absolu la validation Moving average appliqu e r p tition sur un champ de vitesse aboutirait des variations lin aires partout dans le champ L eflet de filtrage est done trop important si le domaine de 3 x 3 zones est plus grand que les plus petites chelles nerg tiques de l coulement ce qui est presque toujours le cas Cet effet est clairement visible sur les tensions de Reynolds Il ne s agit donc pas d une m thode qui converge vers un champ physiquement r aliste et le choix System image I Image 2 input bota boty bt image subsampling at position 1 3 LEA W indow function Fast Fourier optional transformation uv Correlation in the Corema spatial frequency y E a Dia Flu vr domain uv FO UY ae ay A y Foo Filter function Inverse Fourier optional transformation Peak detection and subpixel interpolation dx dy Conversion to velocity Vali VG 4 System output Data file Figure 4 3 Traitement de donn es intercorr lation des param tres est totalement arbitraire Cette m thode
107. v rifier la r p tabilit Les axes verticaux de la figure sont situ s au niveau des parois lat rales de la section On voit clairement que la couche limite v est pas uniforme selon l envergure variation de 6 d environ 20 en excluant les valeurs extr mes proches de la paroi Les profils de vitesse ont galement permis de calculer le coefficient de frottement Cy par la m thode de Clauser videmment on retrouve des diff rences importantes variations de 10 en excluant les valeurs les plus proches des parois lat rales entre les valeurs de Cf plusieurs positions z 3 1 2 Visualisations Des visualisations l huile et par brins de laine l entr e de la section d essai montrent qu la paroi y 0 il y a un coulement secondaire qui se dirige des parois lat rales vers le centre voir figure 3 2 L angle de P coulement proche des parois lat rales est plus important que celui qui serait d P paississement des couches limites lat rales Cet angle semble galement plus important du c t des z positifs Les r sultats des profils de vitesse et des visualisations nous ont amen s soupconner la pr sence d un coulement secondaire l o l coulement devrait tre potentiel 3 1 3 Champ de vitesse fil chaud Afin de confirmer l existence d un coulement secondaire une exploration du coin inf rieur droit plan X 140 mm constante 5 lt y lt 237 mm 104 lt z lt 300 mm a t r alis e avec
108. vel talonnage du convergent est r alis permettant d obtenir la vitesse Upes vitesse vis vis de la premi re prise de pression partir de pet 9 la diff rence de pression entre les prises pari tales dans le convergent A Ppitot ref Kreg x A Peonvergent Kreg 2 31122276 5 2 La figure 5 15 montre le r sultat de cet talonnage Celui ci est du m me type que celui effectu dans la section d essai non d form e section 3 5 et permettant d obtenir Uzo APPitot o Koo AD Pays K 1 60658688 5 3 A partir de la mesure Prep p on calcule Cores P Pref s 1 2 E Coref ae OU Qref 5PUres 5 4 On veut obtenir P A ie ake Cp ss o Gag U2 5 5 doo 2 Pour cela on utilise la relation suivante Getaga a e te 5 6 fore Goo Dans laquelle on fait la substitution suivante d apr s les quations pr c dentes dres _ Kret 5 7 qo K La distribution de pression obtenue est compar e sur la figure 5 16 la distribution de pression calcul e avec le logiciel Xfoil 16 sur l extrados d un profil NACA 2412 18 d incidence pour un nombre de Reynolds Re 1 5 x 10 La transition est forc e au bord d attaque M me si les valeurs sont diff rentes la distribution de C obtenue dans la section d essai est similaire celle que l on retrouve sur l extrados d un profil conventionnel grand angle d incidence La d pression obtenue est tres importante Cp 15 7 Vers l aval la valeur
109. x e lt 0 382 le niveau de bruit tait anormalement lev Comme expliqu la section 5 5 3 1 une partie de ce bruit en x c 0 21 est due une r flexion de la tranche laser travers le plancher rayure mais il y a galement une zone de bruit lev de forme annulaire dont l origine n a pas t clairement d termin e Ce pourrait tre une r flexion de la lentille de l appareil photo Ce bruit est visible sur les profils en x c 0 22 par des valeurs de lt u gt plus lev es ainsi qu une valeur positive de lt uv gt proche de la paroi physiquement impossible et en z c 0 372 par un pic de lt u gt et de lt v gt l ext rieur de la couche limite Mis part ces probl mes les volutions sont typiques de celles rencontr es en gra dient de pression adverse avec une activit turbulente plut t faible la paroi et un pic pour chaque contrainte de Reynolds loign de la paroi par rapport une couche limite sans gradient de pression De plus ce pic s loigne de la paroi et sa valeur maximum augmente en allant vers l aval figure 5 28 Ceci accompagne l loignement de la paroi du maximum de gradient de vitesse 37 comme le sugg re Dengel et Fernholz 4 La position du maximum des fluctuations tend vers 0 55 dans la zone du d collement figure 5 29 ce qui est en accord avec la valeur sugg r e par Simpson 3 et les donn es de Dengel et Fernholz 4 La turbulence n est pas is

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