banc de actionneurs - univ-orleans.fr · • un orifice de sortie génération d’un jet fluidique...
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BANC DE CARACTÉRISATION D’ACTIONNEURS FLUIDIQUES
Quentin GALLAS, Marc PRUVOST
DAAP/ELV – Lille
GDR « Contrôle Des Décollements » 18-19 novembre 2015
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Sommaire
• Introduction
• Les actionneurs
• Le banc
• Procédures de calibrations
• Quelques résultats
• Conclusions
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Introduction
Aujourd’hui, le contrôle des écoulements est une technologie clef nécessaire pour
l’amélioration des performances aérodynamiques.
• Qu’est ce que le contrôle des écoulements ?
• Une manipulation locale de l’écoulement pour générer un bénéfice global du système
aérodynamique, d’une manière voulue et contrôlée.
• Comment fonctionne le contrôle des écoulements ?
• Besoin d’actionneurs pour interagir localement avec un écoulement externe
• Actionneur peut être « passif » (générateur de vortex) ou actif (jet fluidique)
• Le contrôle peut être opéré en boucle ouverte, ou en boucle fermée lorsqu’il est associé à des
capteurs
• Quel actionneur pour quel besoin ?
• Technologie des actionneurs fluidiques est au niveau TRL 5-6 maximum (aujourd’hui)
• Pour les essais en soufflerie de recherche, besoin d’actionneurs compacts mais puissants
• Nécessité de couvrir un large domaine d’opération : bande passante, vitesse
• Actionneur non optimisé pour un point de fonctionnement mais pour l’exploration de plusieurs
gammes de fonctionnement
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Les actionneurs (1/2)
Cattafesta and Sheplak, Actuators for active flow
control, Annu. Rev. Fluid Mech. 2011. 43:247-72
Un actionneur fluidique est constitué de :
• Un élément oscillant (mécanique ou
fluidique)
• Une cavité
• Un orifice de sortie
Génération d’un jet fluidique (continu,
pulsé, synthétique, balayant)
Classification des actionneurs pour le contrôle des écoulements par typologie
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Les actionneurs (2/2)
Exemple: contrôle de bord de fuite d’aile
- Elément oscillant : stacks piézoélectriques
Déplacement amplifié par une cinématique basée sur des lames jointes articulées en acier
- Valve : fabriquée en aluminium pour minimiser la masse et réduire le temps de réponse du système
- Absorbeurs mécaniques additionnels entre la valve et l’actionneur pour améliorer le comportement
aux hautes fréquences
- Géométrie conçue avec des tolérances micrométriques pour assurer une bonne homogénéité de
l’écoulement en sortie de fente
- Bande passante : 200 Hz
- Débit massique maximum : 140 g.s-1 / mètre linéaire
BUFFET’N Co: a joint ONERA research project devoted to buffet control on a transonic 3D wing using a closed-loop apporach
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Le banc
Plateforme
pour petits
actionneurs
Traverses 3-axes
pas-à-pas
Support pour
maquettes équipées
d’actionneurs
• Conception et fabrication d’un banc d’essai multifonctions dédié à la
caractérisation d’actionneurs fluidiques Ecran de contrôle de
la caméra pour
localiser la sonde Système de traverse 3-
axes pour les sondages
Support de sonde
avec montage d’une
caméra macro
Très haute
précision sur la
position de la
sonde (fentes <
0.5 mm)
Carte d’acquisition 16 bits multivoies
avec pilotage synchronisé des
grandeurs à mesurer :
- Sonde de pression totale
- Fil chaud
- LDV
- Sonde de pression instationnaire
“Kulite”
- Débitmètre
- Thermocouple
- …
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Procédure de calibration
Développement méthodologie de calibration des sondes
• Sonde fil chaud < taille orifice
Calibration classique (régime d’écoulement continu et uniforme)
• Sonde fil chaud > taille orifice
Intégration spatiale si utilisé conventionnellement !
Pour les jets pulsés…
Utilisation de l’actionneur comme calibrateur « in-situ » :
- Fonction de transfert entre l’entrée et la sortie de l’actionneur en mode
« continu »
- Conditions amont connues et maîtrisées
- Méthode valide tant que les gradients de vitesses sont identiques en
régime continu et pulsé
Pour les jets synthétiques…
Utilisation de la méthode de la cloche pour
mesurer une vitesse débitante
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Quelques résultats (1/6)
• Caractérisation des jets synthétiques de la rampe du GDR
• Qualification en 1 point : réponse en fréquence, en tension, effet forme signal input
• Qualification spatiale : test homogénéité, profil, position FC/fente
GDR - Restitution de la vitesse pic en fonction de la fréquence
pour différents gains
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Fréquence (Hz)
Vit
ess
e f
il c
ha
ud
(m
/s)
Vitesse Gain 3
Vitesse Gain 4
Vitesse Gain 5
Vitesse Gain 6
Restitution de l'homognéité en envergure pour 10 Hz et 70 Hz, Gain 4
0
5
10
15
20
25
30
0 100 200 300 400 500 600
Position X (mm)
Vit
esse m
ax.
fil
ch
au
d (
m/s
)
Vit Fil 10 Hz / Valfitmax1
Vit Fil 70 Hz / Valfitmax1
Restitution temporelle à 10 Hz pour un gain de 4
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Temps (s)
Vit
esse f
il c
hau
d (
m/s
)
GdrXmilG4/Car_X340_10hz_50%/VitFil(dyn)
(m/s)
GdrXmilG4/Car_X340_10hz_50%/VitFil(flt) (m/s)
GdrXmilG4/Car_X340_10hz_50%/ExitNI(dyn) (V)
GdrXmilG4/Car_X340_10hz_50%/ExitAmpli(dyn)
(V)
GdrXmilG4/Car_X340_10hz_50%/VitFurness(dy
n) (m/s)
Comparaison des profils de vitesse adimensionnée pour 10 Hz et 70 Hz - Xmil=285mm - Gain 4
Fil chaud à environ 1 mm de l'orifice
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
-0,5 0 0,5 1 1,5
Abssisse X (mm)
Vit
Max.
ad
imen
sio
nn
ée f
il c
hau
d f
iltr
é
V adim 10 Hz
V adim 70 Hz
10
Quelques résultats (2/6)
• Caractérisation de jets synthétiques (1/2)
• Modèle de soufflerie (étude GRC-2 : fuselage d’hélicoptère en soufflerie L1 à l’ONERA)
• But : contrôle d’écoulement pour la réduction de traînée (jets synthétiques et jets pulsés)
• Caractérisation des actionneurs avant passage en soufflerie, avant et après montage sur la
maquette
Pape, A. Le; Lienard, C.; Verbeke, C.; Pruvost, M.; De Coninck, J.-LC., « Helicopter Fuselage Drag Reduction Using
Active Flow Control: A Comprehensive Experimental Investigation, » JAHS, V50, 3, July 2015
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Quelques résultats (3/6)
• Caractérisation de jets synthétiques (2/2)
• Vitesse au centre (faisant varier Freq. et Volt.)
• Profil de vitesse le long de la fente (faisant varier Freq. et Volt.)
Moyenne de
phase sur une
période
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Quelques résultats (4/6)
• Caractérisation de l’homogénéité d’actionneurs continus ou pulsés
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Quelques résultats (5/6)
• Mesure par fil chaud de l’homogénéité de la vitesse au voisinage d’un orifice
• Vitesse = max(moyenne temporelle sur 2s) ; largeur fente = 0.1mm
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Quelques résultats (6/6)
• Profil 3D du profil de vitesse instantanée
Association cartographie 3D avec acquisition signal en
synchronisation de phase
Global_03_hd.wmv
Sondage par fil chaud « in-situ » d’un TED (trailing edge device) fluidique.
La sonde est montée sur un système 3 axe motorisé de précision.
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Conclusions (1/2)
• Tableau récapitulatif des méthodologies disponibles pour la qualification d’actionneurs
fluidiques
• Travaux en cours sur l’utilisation de la LDV comme mesure non-intrusive et sur la
méthodologie de calibration de fil chaud pour des jets compressibles supersoniques
Equipment Actuator type ► Pulsed Synthetic
Hot wire anemometry
fmax>40kHz
Jet exit size►
Measured data ▼
Lower than
2 mm
Longer
than 2 mm
Lower than
2 mm
Longer
than 2 mm
Classical calibration Instantaneous velocity,
subsonic
no yes no yes
In-situ calibration, from
upstream total pressure and
density
Max. instantaneous
velocity, subsonic
yes No interest Substitution
tip with air
supply
No interest
In-situ calibration, from mass
flow meter and density
In-situ calibration, from airtight
bell
Mean mass flow, subsonic
and supersonic
yes yes homogeneity homogeneity
Optical metrology
LDV, max. frequency
depending on the seeding
quality
Instantaneous velocity of
particles
yes yes yes yes
PIV, fixed frequency 2D maps of instantaneous
velocities
Depend on
spatial
resolution
yes Depend on
spatial
resolution
yes
Dandois J., Pruvost M., Ternoy F., David F., Overview of ONERA Actuators for Active Flow Control,
AerospaceLab n°6, AL06-03, 14 pages, 10.12762/2013.AL06-03, 2013
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Conclusions (2/2)
• Possibilité de compléter la caractérisation de l’actionneur en le montant dans une
soufflerie de couche limite subsonique
Conception et fabrication d’un banc multi-fonction dédié à la qualification d’actionneurs
fluidiques
• Techniques expérimentales multi-grandeurs (pression, débit, température,
vitesse…)
• Système d’acquisition moderne avec cartes analogiques et numériques
• Banc adaptable à toute configuration
Large expertise développée ses 5 dernières années dans la caractérisation
d’actionneurs fluidiques et les méthodologies de calibration expérimentale
ONERA ouvert pour caractériser les actionneurs des partenaires du GDR