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8 months ago

Essais & Simulations n°110

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Spécial Sud-Ouest : le fleuron français des essais aéronautiques

Dossier La courbe du

Dossier La courbe du haut représente la forme de 3 sections à un instant t. On peut observer la présence de modes d’oscillation. La courbe du bas représente le déplacement (en mm) du point de central de la plaque au cours du temps (en ms). La visualisation 3D de droite représente la cartographie 3D des déplacements lors de la déflexion maximale. Cette campagne d’essais a permis de constater que : - la déflexion maximale augmentait avec l’épaisseur de la peinture - sans peinture, la déformation d’une éprouvette protégée avec de l’EAF 90g/m 2 est sensiblement inférieur à celle protégée par du BM 65 g/m 2 - avec de la peinture, la déformation est supérieure avec une protection type EAF 90g/m 2 . Ces données ont été accessibles grâce à la DIC. D’autres techniques de mesure de déplacement pour les essais foudre existent, mais ne permettent pas d’obtenir une mesure globale et sont lourdes à mettre en œuvre. Ces techniques de mesure ont validé les mesures par DIC sur la mesure de la déflexion maximum. L’utilisation de la DIC pour cette application est toutefois limitée par le couple cadence des caméras. Nous ne pouvons pas, pour le moment, mettre en évidence des phénomènes dynamiques se produisant au-delà de 3 kHz. Essais d’une voile de parachute en soufflerie impulsionnelle Le système de mesure par DIC a aussi été utilisé sur l’installation « Wind Blast » de DGA-TA. Cette installation permet de générer des rafales d’air de 300 m/s en 100 ms, avec un pallier de 500 ms. La soufflerie impulsionnelle Wind Blast sert à tester par exemple des équipements pilotes (casque, masque) dans des conditions d’éjection pilote. La mesure par Stéréo-corrélation s’est greffée à une campagne d’essai sur l’extraction d’un parachute à une vitesse d’air de 50 m/s. Cette opération s’est déroulée dans le cadre d’une étude de faisabilité pour mesurer en vol la forme d’une voile de parachute. A terme, les résultats viendront Figure 6 « Installation DIC au Wind Blast » alimenter les modèles de simulation aérodynamique utilisée par DGA-TA. L’installation d’essai est constituée d’un couple de caméras rapides (1 MPx à 1000 images/secondes) disposé à plus de deux mètres de hauteur. La zone d’intérêt mesure 1 mètre cube. Les caméras ont été disposées à l’arrière de la voile, à une certaine distance de la buse d’air pour ne pas que le capteur se décalibre (Cf. figure 6). Cet essai de faisabilité a servi à valider une partie de l’aspect expérimental : - peinture du mouchetis sur tissu et résolution spatiale des résultats - mesure sur des matériaux très souples - grande surface de mesure - éclairage naturel Le mouchetis a été créé grâce à des stylos indélébiles noirs, avec des tâches de 10 mm. La résolution spatiale des résultats est suffisante pour cette application. Le logiciel de traitement d’images arrive bien à déterminer la forme du parachute à chaque instant et à suivre ses différentes parties au cours de son déplacement dans la veine d’air (Cf figure 7). Pour une application en vol, d’autres points sont à lever dont le principal est le positionnement des caméras par rapport à la voilure, le conditionnement du capteur, et Bibliographie Figure 7 « Forme d’un parachute d’extraction lors de son déploiement » de la grande dimension de la zone d’intérêt. Conclusion Les quelques exemples qui ont été présentés montrent la diversité des applications dans lequel le moyen de mesure a été utilisé à DGA-TA. Des expérimentations ont été moins concluantes que prévues, comme les essais dynamiques de structure. En effet, des débris viennent altérer la vision des spécimens de mesure. La qualité de la mesure de déplacement a été quantifiée par une série de manipulation pour la majorité des cas d’applications du moyen, en vidéo haute résolution et en vidéo rapide. Une étude de caractérisation du moyen en déformation reste à mener. Enfin, le potentiel d’utilisation à DGA-TA va encore être augmenté grâce au couplage de ce système avec un appareil de mesure par photogrammétrie qui permettra de faire des mesures en multi-capteurs sur des plus grandes zones de mesure. L’achat en cours de nouvelles caméras rapides permettra d’augmenter la cadence de prise de vue pour les essais dynamiques ● Christophe Larrieu, Christophe Simond et Frederic Lago (DGA Techniques Aeronautiques) [1] M.A. Sutton, J.-J. Orteu, H.W. Schreier, Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements - Basic Concepts, Theory and Applications, 364 p. 100 illus. Hardcover, Springer, 2009. ISBN 978-0-387-78746-6. [2] F. Lago, G. Fontaine, C. Larrieu, P-Q. Elias, L. Chemartin, P. Lalande, Measurement by a digital image correlation technique of the deflection of panels submitted to lightning impulse, Icolse 2011. E S S A I S & S I M U L AT I O N S ● AV R I L , M A I , J U I N 2 0 1 2 ● PAG E 4 8

Dossier Tendances Nouveaux challenges en simulation numérique pour la conception de turbomoteurs moins polluants Avec les préoccupations environnementales croissantes et la raréfaction des ressources pétrolières, l’amélioration de la performance énergétique des produits aéronautiques est devenue la priorité des industriels du secteur. En dix ans, l’industrie aéronautique a pris l’engagement de réduire la consommation de carburant de 20% et de 50% des émissions (NOx,..). À plus long terme, des recherches ont démarré pour remplacer les combustibles fossiles par des alternatives plus écologiques et pour rechercher des concepts de propulsion nouveaux. La simulation numérique intensive est devenue un outil indispensable pour répondre à ces objectifs très ambitieux dans un délai aussi court. Les motoristes aéronautiques sont des contributeurs clés à la réduction de la consommation et de la pollution du trafic aérien. Dans ce cadre, la démarche de Turbomeca pour développer des moteurs plus écologiques est basée selon 3 axes principaux de recherche portant sur : - Une meilleure efficacité, par amélioration du rendement du moteur en optimisant le cycle thermodynamique, c’est-à-dire en augmentant le rapport de pression. Cela implique le développement de compresseurs plus fortement chargés et de turbines plus chaudes. Ces composants sont très sollicités mécaniquement et thermiquement mais doivent être fiables et sûrs. Leur conception est donc fortement contrainte. Architecture typique d’un turbomoteur - Une réduction de la masse, obtenue en diminuant le volume du moteur et en augmentant la température de fonctionnement. En effet, la puissance d’un moteur est directement liée à son débit massique et à la température d’entrée de turbine (TET). Pour un objectif de puissance donné, une augmentation de la TET permet de réduire le débit massique à travers le moteur, c’est-à-dire sa taille et par conséquence sa masse. Le point dur est de garantir la durée de vie des structures chaudes, principalement de la turbine haute pression, juste en aval de la chambre de combustion. L’optimisation de masse de tous les composants du moteur est effectuée par des simulations. - Une réduction des émissions de NOx, CO, CO 2 et particules, en développant des chambres de combustion adaptées aux mélanges pauvres en carburant sans compromis sur l’opérabilité (stabilité de flamme, performance d’extinction et d’allumage). Bien entendu, ces améliorations permettant de réduire l’impact environnemental des systèmes de propulsion pèsent fortement sur leur conception. Avec ces contraintes, les composants sont globalement plus chargés et des simulations avancées sont systématiquement requises car : - les marges de conception sont réduites et doivent donc être évaluées avec précision, - de nouveaux phénomènes physiques, notamment instationnaires et fortement couplés font leur apparition. - chaque détail géométrique local peut avoir un impact significatif sur le comportement du moteur complet - les interactions entre les phénomènes de différentes disciplines deviennent significatives Cela induit une complexité croissante des simulations liées aux aspects multiphysiques (plus de degrés de liberté par point d’intégration, modèles de couplage), instationnaires (résolution temporelle, non harmonique) et multi-échelles (d’avantage de points d’intégration) nécessitant des centres de calcul de grande puissance (HPC High Performance Computing). Cet article illustre ces différents aspects à travers quatre exemples choisis en suivant le flux d’air dans le turbomoteur : - les simulations aérodynamiques dans les compresseurs - la conception des chambres de combustion (états stables et instables) - la simulation aérothermique dans les turbines - la conception mécanique des blindages de turbine Simulations aérodynamiques dans les compresseurs Les performances des compresseurs, caractérisées par l’efficacité du composant, le débit, l’opérabilité (la capacité à accélérer) et taux de compression (rapport E S S A I S & S I M U L AT I O N S ● AVR I L , M A I , J U I N 2 0 1 2 ● PAG E 4 9

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