20
ème
Congrès Français de Mécanique Besançon, 29 août au 2 septembre 2011
turbulent en conduite lisse, a l’aide de l’anémométrie fil chaud. Leurs résultats sont très précis y compris
dans la zone proche paroi. Ce travail récent, confirme l’influence du nombre de Reynolds sur le profil de
vitesse moyenne, et la limite des lois de type logarithmique lorsque y
+
est inférieur à 50.
L’étude expérimentale présentée ici, a été menée a partir d’un banc de mesure présentant une rugosité de
type grain de sable, identique à celle rencontrée dans les chambres de refroidissement de moteurs thermiques.
Le dispositif expérimental est dimensionné pour obtenir un écoulement turbulent établi dans la section de
mesure. L’étude de l’écoulement est basée sur des mesures de pression, et des mesures de vitesse à l’aide de
méthodes optiques. Les résultats obtenus permettent de caractériser la vitesse adimensionnelle U
+
en fonction
de l’état de surface.
2 Conditions expérimentales
2.1 Banc de mesure
Le banc de mesures est une boucle d’eau fermée, représentative de l’écoulement des chambres de
refroidissement des moteurs thermiques. Nous contrôlons le débit, la température du fluide et l’état de
surface.
L’écoulement traverse un réservoir de tranquillisation pour dissiper les structures turbulentes de grande
échelle, puis un nid d’abeille avant d’être accéléré au passage d’un convergent. Nous distinguons la section
d’établissement et la section de mesures, la première section est lisse, alors que nous disposons de quatre
sections de mesures de rugosité croissante. Le diamètre interne de la conduite est de 40 mm. La section
d’établissement est située à une distance de l’entrée équivalente à 65 diamètres, et la section de mesure est
située à L/D = 81. L’établissement de l’écoulement turbulent est assuré dans le plan de mesure des lasers.
En aval, l’écoulement traverse un échangeur, un débitmètre électromagnétique et une pompe de circulation.
Le débit est réglé par une vanne de by-pass. La plage de vitesse débitante disponible est de 0 à 1.2 m/s. Une
colonne hydraulique assure une charge minimale en sortie de l’échangeur afin d’éviter tout phénomène de
cavitation ou de nucléation.
Des colliers électriques sont placés sur la paroi externe des sections afin de chauffer le fluide. Ceux-ci sont
contrôlés par un système PID, qui régule la température de paroi externe. La puissance disponible est de
19kW. Les conditions d’essais (vitesse débitante, température et pression) sont enregistrées en continu.
Pour cette étude, le banc de mesure est régulé entre la température ambiante et 80°C, et configuré pour
fonctionner en conditions isothermes, pour les mesures dynamiques pures.
2.2 Paramètres hydrauliques
L’écoulement a été caractérisé pour les nombres de Reynolds suivants : 22 000, 41 000 et 90 000. Comme
précisé précédemment, les mesures ont été réalisées sur les quatre sections de mesure, pour les trois nombres
de Reynolds indiqués, correspondants aux vitesses et température suivantes :
Vitesse débitante [m/s]
Température [°C] 0,44 0,82
30 22 000 41 000
80 - 90 000
Tableau 1 – Nombres de Reynolds étudiés
La variation du nombre de Reynolds est obtenue en changeant la vitesse pour les deux premiers cas (21 000
et 41 000) et en changeant la viscosité par le biais de la température pour le troisième cas (90 000). Nous
disposons de quatre sections de mesure, la première est usinée alors que les autres ont été obtenues par
fonderie. En utilisant différentes qualités de sable pour réaliser le noyau de fonderie, nous obtenons trois
états de surfaces, de type grain de sable, présentant une rugosité croissante. En nous basant sur les travaux de
Nikuradse, nous considérons la taille des grains de sable pour définir l’état de surface. Les sables de fonderie
utilisés sont normalisés selon la norme AFS (American Foundry Society), et la taille équivalente des grains