aaaf didacticiel moyens d essai

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Jean Délery

MOYENS D'ESSAI ET

SOUFFLERIES AÉRODYNAMIQUES

Association Aéronautique et Astronautique de France

Commission Aérodynamique

Souffleries aérodynamiques

Centre Onera de Modane-Avrieux


A quoi servent les souffleries ?

C'est un moyen coûteux, bruyant et dangereux de résoudreles équations de Navier-Stokes !

Certes ! Mais sait-on résoudre les équations de Navier-Stokes ?

Toutefois, la résolution des équations de Navier-Stokes complètesest encore hors de portée sur une forme aussi complexe qu'un avion

Il faut simplifier ces équations, en particulier, en modélisantla turbulence

D'où un manque de précision faisant que la confiance dans lescalculs est encore limitée

Oui, dans un certains nombres de cas grâce à la puissance descalculateurs et aux progrès des méthodes numériques

A quoi servent les souffleries ?

La soufflerie est un moyen de prévision du comportement d'unvéhicules en réalisant une simulation expérimentale sur unemaquette en général à échelle réduite

L'expérience fournira les performances (portance, traînée,moments…..) transposables au véhicule réel si des règles desimilitude sont satisfaites

propriétés du fluideforme géométriquenombre de Machnombre de Reynolds

La soufflerie permet aussi de constituer des cas tests pour valider(ou invalider !) les calculs : les conditions de similitudes sont alorssecondaires

Quelques uns des paramètres à respecter :


dans la réalité, la voiture se déplace dans l'atmosphèreau repos en roulant sur une route fixe

en essai, l'air s'écoule autour de la maquette immobile et laroute est fixe problème de la simulation de l'effet de sol

La soufflerie réalise un changement de repère : le véhicule estfixe et l'air en mouvement. C'est équivalent, sauf en cas d'effetde sol (automobile, train, avion à l'atterrissage ou au décollage)

fixe

fixe tunnel hydrodynamique Onera


Que réalise une soufflerie ?

Les essais sont exécutés dans une enceinte - ou veine d'essais -constituant un espace confiné effets des parois

Les mesures sont exécutées sur une maquette tenue par unsupport risque de perturbations

L'écoulement arrivant sur la maquette doit être représentatif dela réalité absence de perturbations ou tourbillons,faible niveau de bruit….

Un essai en soufflerie est beaucoup moins coûteux et moinsdangereux (!) qu'un essai en vol. Il permet en outre d'effectuerun grand nombre de mesures autour de la maquette

Les véhicules - aussi bien aériens que terrestres - sont l'objetde très nombreux essais en soufflerie avant leur mise en service


Les différentes souffleries

Subsoniques : de 0 à 200 m/s - écoulement incompressible

Transsoniques : 0,7 < Mach < 1,3

véhicules terrestres, avions en phase de décollageou d'atterrissage

avions de transport civils (Airbus, Boeing), avionsde combat

Supersoniques : 1,6 < Mach < 4

avions de transport (Concorde), avions de combat, missiles

Hypersoniques : Mach > 5

véhicules hypersoniques (Navette Spatiale), corpsde rentrée



Soufflerie subsonique

Maquette d'A380 dans la soufflerie F1 du Centre Onera du Fauga-Mauzac


Circuit de la soufflerie subsonique de l'ENSMA à Poitiers

ventilateur

diffuseur 2

aubages

nid d'abeille

grillages

diffuseur 1

veine d'essais

chambre de tranquillisation



groupe motoventilateur

réfrigérant

veine d'essaisfiltres anti-turbulence

diffuseur

dimensions en mètre

Circuit de la soufflerie F2 du Centre Onera du Fauga-Mauzac

Vmax ≈ 100m/s

collecteur



Maquette d'aile delta dans la veine de la soufflerie F2du Centre Onera du Fauga-Mauzac

support de maquettemaquette

1,8 m

montage sur dard arrière



Maquette d'aile delta dans la veine de la soufflerie F2



Préparation d'une maquette dans la soufflerie F1du Centre Onera du Fauga-Mauzac

montage type demi-maquette à la paroi



Maquette de l'Airbus A380 dans la soufflerie DNW aux Pays-Bas

montage sur mâts supports



Maquette d'hélicoptère motorisée dans la soufflerie S2Chdu Centre Onera de Meudon



Vélocimétrie laser sur une maquette d'hélicoptère motoriséeSoufflerie S2Ch du Centre de Meudon



Maquette de sous-marin dans la soufflerie S2Ch du Centre de Meudon



Soufflerie transsonique

Soufflerie S3Ch du Centre Onera de Meudon



Sources des écarts avec la réalité

qualité de l'écoulement amont

respect du nombre de Mach

respect du nombre de Reynolds

interactions avec les parois

interactions avec les supports



objectifproduire des écoulements dont le nombre de Mach est proche de 1pour étudier des dispositifs fonctionnant dans le domainetranssonique où des régions supersoniques se forment sur l'avion

difficultés techniques

l'effet de confinement dû aux parois de la veine devientdéterminant la diminution de section produite par lamaquette fait col sonique : effet de blocage

les perturbations supersoniques se propagent selon desdirections presque normales à la maquette (angle de Machproche de 90°) elles se réfléchissent sur les paroiset retombent sur la maquette



Effet de blocage sonique produit par la maquette

subsonique supersonique

ligne sonique

0M

1002,1009,1021,1038,1A/A195,09,085,08,0M

c

loi des aires minimum très plat près de M = 1



transsonique

ε+= 1M0

Interactions avec les parois en bas supersonique

les réflexions sur les parois retombent sur la maquette

inclinaison des perturbations °≈

≅α 90

M1sinArc

0



solutionsle déblocage de l'écoulement est assuré en agissant sur les parois(haute et basse) de la veine augmenter le débit passant auniveau de la maquette pour éviter la formation d'un col sonique

parois perforées comportant des trous d'aspiration

parois à fentes (même action)

parois adaptables leur forme est ajustéepour reproduire la ligne de courant de l'écoulementen atmosphère infinie


Soufflerie transsonique Parois ventilés (perforées ou à fentes) - 1950

modélisation difficile des conditions aux limites

principe : une partie du débit de la soufflerie contourne la veine d'essai

suppression du blocage sonique au niveau de la maquette

reconstitution naturelle des lignes de courant

inconvénients corrections résiduelles à effectuer


Soufflerie transsonique Parois adaptables

principe donner aux parois une forme telle qu'elles soientdes lignes de courant pour un écoulement tendant vers un étatuniforme à l'infini

écoulement intérieur : essai

aux paroispression mesurée = pression calculée

écoulement extérieur : calcul

potentiel , Euler

processus itératif


Soufflerie transsonique à parois adaptables

veine à parois adaptables de la soufflerie S3Ch de l'Onera-Meudon

verins

parois déformable mm800≈

capteurs de déplacement


Soufflerie transsonique Parois adaptables

soufflerie T2 de l'Onera - Centre de Toulouse

paroi déformable en inox maquette support articulation

vérins + capteurs de déplacement



Parois adaptables en trois - dimensions

veine ventilée de l'AEDC (Tullahoma, USA)

une ventilation locale adaptée est appliquée dans des cavités

section : 0,76 m x 0,80 m, longueur : 2,20 mparois rigides pleines, perforées ou auto-adaptablesparois latérales équipées de hublots

nombre de Mach : 0,6 < M < 1,35pression génératrice : pression atmosphérique

température génératrice : 290 K < Ti0 < 330 K


Caractéristiques d'une soufflerie transsonique typique :la soufflerie S3Ch du Centre de Meudon

installation continue à retour

veine guidée à parois interchangeables


diamètre 3m diamètre 2m

section 4,2×4,2m2

section 0,8×0,8m2

24 mètres

5 mètres

ventilateur àpas variable

Moteur3500 W

réfrigérant

veine d'essais

collecteur diffuseur


La soufflerie S3Ch du Centre Onera de Meudon

filtres



Veine de la soufflerie S3Ch avec maquette motorisée d'aile d'A340

montage entre parois



balance pourmesure dela traînée

profil d'aile

Veine de la soufflerie S3Ch avec maquette de profil supercritique

paroi latérale gauche démontée



Veine de la soufflerie S3Ch avec maquette d'arrière-corpsd'avion de combat et simulation du jet du réacteur

mât support et alimentation du jet arrière-corps

tuyère propulsive

support de sondes

sondes



Une très grande soufflerie transsonique : la soufflerie S1MAdu Centre Onera de Modane-Avrieux (Haute-Savoie)



Ventilateur de la soufflerie S1MA



Soufflerie S1MA : un des coins avec ses aubages redresseursdu circuit de l'installation

eh moi ! eh moi !



Maquette d'Airbus A340 dans la veine de la soufflerie S1MA




Essai de largage de charge dans la soufflerie S1MA : tir d'unmissile Apache sous Mirage 2000


Comment restituer le nombre de Reynolds sur desmaquettes à échelle réduite ?

∞

∞∞

µρ

=LV

R

augmenter la masse volumique∞

∞∞ =ρ

Trp

augmenter la pression soufflerie pressurisée

entraîne aussi une augmentation de la pression dynamique

22 Mp2

V21

q ∞∞∞∞∞γ

=ρ=

donc des efforts aérodynamiques sur la maquette

problèmes de tenue mécanique, risques de déformationil y a une limite à l'augmentation de la pression


Comment restituer le nombre de Reynolds sur desmaquettes à échelle réduite ?

entraîne aussi une diminution de la viscosité de l'air

la pression dynamique ne dépend pas de la température

augmenter la masse volumique∞

∞∞ =ρ

Trp

les efforts aérodynamiques sont constants

diminuer la température soufflerie cryogénique

on gagne sur deux tableaux

22 Mp2

V21

q ∞∞∞∞∞γ

=ρ=

4,110TT 2/3

+∝µ∞


Soufflerie transsonique cryogénique

nombre de Reynolds

efforts

température, K

valeurs relativement àla température ambiante

puissance


origine : soufflerie ETW - Cologne


European Transonic Wind tunnel (ETW) à Cologne

compresseur

injection LN2

veine d'essais

veine d'essais : 2,4 m × 2m pression : 1,25 à 4,5 bars

nombre de Mach : 0,15 à 1,3 température : 90 à 313 K

nombre de Reynolds max. : 230 × 106 /m


n

Soufflerie transsonique cryogénique ETW

Enveloppe nombre de Mach - nombre de Reynolds

Full Models

Half Models

90

80

70

0

60

10

20

30

40

50

Cruise Range ofcurrent and futureTransport Aircraft

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Take-offandLanding

Mach Number

Other EuropeanWind Tunnels

nombredeReynolds

610−×

(1/2 cordemoyenne)

origine : soufflerie ETW - Cologne



European Transonic Wind tunnel (ETW) à Cologne



Soufflerie transsoniquecryogénique

European Transonic Windtunnel (ETW) à Cologne.

Veine d'essai vue de l'aval

parois à fentes



Soufflerie supersonique

Soufflerie S5Ch du Centre Onera de Meudon

( ) 0A

dAM1

VdV 2 =+−

la vitesse augmente quand la section diminue

la vitesse augmente quand la section augmente

la section est stationnaire : existence d'un col



théorème d'Hugoniot et tuyère convergente - divergente

relation entre variation de section etvariation de vitesse dans un conduit

1M> écoulement supersonique 0dAdV >

1M = 0dA=écoulement sonique

1M< 0dAdV

<écoulement subsonique

Théorème d'Hugoniot : conséquences

écoulement supersoniqueécoulement subsonique

écoulement subsonique-supersonique avec passage par un col

0dA< 0dA<0dM> 0dM>

0dA>0dM< 0dM<0dA>

0dA<0dM>

0dA>0dM>1M=

0dA=





contour d'une tuyère plane donnant un écoulement à Mach 2

l'obtention d'un écoulement supersonique n'est possible que dansun tuyère convergente - divergente

le contour de la tuyère peut être calculé pour fournir un écoulementuniforme de nombre de Mach voulu

la tuyère peut être bidimensionnelle plane ou de révolution

Tuyère Mach 2 de la soufflerie S5Ch du Centre Onera de Meudon




Caractéristiques d'une soufflerie supersonique typique :la soufflerie S5Ch du Centre Onera de Meudon

installation continue à retour

section de veine : 0,3 X 0,3 m² (en tuyère complète)

pression génératrice : 20 000 Pa <pi0 <90 000 Pa

température génératrice : 290 K <Ti0 <310 K

nombre de Mach : 1,2 < M < 3,1 (6 jeux de 2 blocstuyères interchangeables)



La soufflerie S5Ch du Centre Onera de Meudon

banc d'essai turbine

compresseur axial12 étages (rapport : 5,6)

moteur 1400kW

échangeur thermique

veined'essais

dérivation by-pass



Soufflerie S5Ch du Centre de Meudon. Montage en demi-tuyère



Maquette de la prise d'air du Concorde dans la soufflerie S5Ch



Souffleries hypersoniques

Soufflerie R5Ch Mach 10 basse pression du Centre Onera de Meudon

Soufflerie hypersonique

objectif

produire des écoulements à grande vitesse (6 km/s et plus) etgrand nombre de Mach (de 5 à 25) pour étudier les véhiculeshypersoniques et la rentrée dans l'atmosphère

deux catégories de souffleries hypersoniques

souffleries froides : on simule le nombre de Mach mais pas lesvitesses élevées de la réalité

souffleries chaudes : on simule le nombre de Mach et lesvitesses élevées

( ) i0i0 h2hh2V ≈−=

s/m0006V0 = kg/J1018h 6i ×≈ K0008Ti ≈



soufflerie hypersonique froide

problèmes techniquesréaliser les rapports de pression amont/aval suffisants pouramorcer et entretenir l'écoulement

éviter la liquéfaction de l'air en cours de détente dans la tuyère

solutionalimentation en air comprimé haute pression

chauffage de l'air avant détente (1100 K pour Mach 10)

au moins 350 pour Mach 10

pour Mach 10 Tveine = 14K si Tgénératrice = 300 K

souffleries à rafales ou intermittentes (durée de 10 s à 60 s)



Aménagement général d'une soufflerie hypersonique à rafales

alimentationhaute pression

réchauffeur

caissonà vide

sphère à vide

tuyère


tuyère interchangeableMach = 5, 6, 7

supportmaquette

vitresstrioscopiques

air réchauffé haute pression

pi0 = 85 barsTi0 = 750 K

La soufflerie R2Ch du Centre Onera de Meudon

diffuseur sphèreà vide

caissond'essai


filtre

maquette


La soufflerie R2Ch du Centre Onera de Meudon


tuyère

caisson

alimentationhaute pression


La soufflerie R3Ch à Mach 10 du Centre Onera de Meudon


réchauffeur électriqueà effet Joule

pi0 = 170 barsTi0 = 1100 K

tuyère

sphère àvide



Maquette dans la veine de la soufflerie R3Ch du Centre de Meudon

sortie dela tuyère

entrée dudiffuseur

maquettesupport de lamaquette


Soufflerie R5Ch Mach 10 basse pression du Centre Onera de Meudon



soufflerie R5Ch Mach 10


visualisation par fluorescence excitée par faisceaud'électrons (FFE) de l'écoulement autour du Mars Pathfinder

dard support de maquette


Soufflerie hypersonique hyperenthalpique objectif

produire un écoulement à grand nombre de Mach (15 à 20),pression génératrice élevée (2000 bar) et vitesse élevée (6000 m/s) enthalpie spécifique génératrice élevée (15 MJoule/kg)

solutionsoufflerie à arc un volume de gaz contenu dans une chambrefermée est chauffé et comprimé par passage d'un arc électrique

Principe de la soufflerie à arc F4 du Centre Onera du Fauga-Mauzac

chambre à arcbouchon pyrotechnique

tuyère durée de rafale ∼ 100 ms


Circuit aérodynamique de la soufflerie F4 du Centre du Fauga-Mauzac

Soufflerie hypersonique hyperenthalpique

tuyèrediffuseurchambre à arc

réservoir à vide

pompes à videveine d'essais

strioscopie

section longitudinale

section transversale


Soufflerie F4 du Centre Onera du Fauga-Mauzac

Soufflerie hypersonique hyperenthalpique

chambre à arc caisson d'essais

réservoir à vide

tube strioscopie

tube strioscopie

réservoir d'air oud'azote


Moyens d'essai

Tunnel hydrodynamique


Réalise un courant d'eau à faible vitesse pour des études surla structure des écoulements au moyen de visualisations.Aussi utilisé pour des mesures (PIV, LDV). Très employé enhydrodynamique navale

Deux modes de fonctionnement

courant d'eau entraîné par une pompe : fonctionne commeune soufflerie à retour

l'eau s'écoule sous l'effet de la gravité : vidage d'unecuve avec re-remplissage ou non

Moyens d'essai

Tunnel hydrodynamique à gravité

réserve d'eau

veine d'essai évacuation

Tunnel TH2 de l'Onera

Moyens d'essai


Visualisation par bulles d'air du champ au-dessus d'une maquettedu Concorde (vue de l'arrière)

Moyens d'essai


Visualisation par filets colorés du champ au-dessus d'une aile delta

Moyens d'essai

Tunnel hydrodynamique à recirculation

Tunnel Thalès de l'Onera - Centre de Toulouse

diffuseur

tranquillisation

convergentveine d'essais

divergent

pompe

10510

3100

600

dimensions en mm

évacuation

Moyens d'essai


Tunnel Thalès de l'Onera - Centre de Toulouse

Moyens d'essai


tunnel Thalès de l'Onera - Centre de Toulouse

veine d'essaisdemi-aile rectangulaireNACA 0015

tapis roulant plancheraspiration de la

couche limite

simulation de l'effet de sol à l'atterrissage

Moyens d'essai

Moyens d'essai

Banc moteur fusée

Banc d'essai pour moteur de lanceur au point fixe

Moteur Vulcain dulanceur Ariane 5

DLR - Centre deLampoldhausen

ergols : LH2 +LO2

échappementturbo pompes

Moyens d'essai


disque de Mach dans lejet du moteur Vulcain

document Snecma - Moteurs fusées

Moyens d'essai


Moteur RS68Boeing - Rocketdyne

ergols : LH2 +LO2

Moyens d'essai


Moteur RS68Boeing - Rocketdyneen essai

disque de Mach

ergols : LH2 +LO2

Moyens d'essai

Dassault-Aviation Rafale

MOYENS D'ESSAI ET

SOUFFLERIES AÉRODYNAMIQUES

FIN DU COURS

Association Aéronautique et Astronautique de France

Commission Aérodynamique

aaaf didacticiel moyens d essai

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