Les actionneurs

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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
2
Sommaire
3
•
Introduction
•
Les actionneurs
•
Le banc
•
Procédures de calibrations
•
Quelques résultats
•
Conclusions
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 ?
•
•
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 ?
•
•
•
•
4
Une manipulation locale de l’écoulement pour générer un bénéfice global du système
aérodynamique, d’une manière voulue et contrôlée.
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
Les actionneurs (1/2)
Classification des actionneurs pour le contrôle des écoulements par typologie
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)
Cattafesta and Sheplak, Actuators for active flow
control, Annu. Rev. Fluid Mech. 2011. 43:247-72
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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
6
Le banc
•
Conception et fabrication d’un banc d’essai multifonctions dédié à la
caractérisation d’actionneurs fluidiques
Ecran de contrôle de
Traverses 3-axes
pas-à-pas
Système de traverse 3axes pour les sondages
Plateforme
pour petits
actionneurs
Support de sonde
avec montage d’une
caméra macro
Support pour
maquettes équipées
d’actionneurs
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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la caméra pour
localiser la sonde
Très haute
précision sur la
position de la
sonde (fentes <
0.5 mm)
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
40
35
Vitesse fil chaud (m/s)
30
Vitesse Gain 3
Vitesse Gain 4
Vitesse Gain 5
Vitesse Gain 6
25
20
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Fréquence (Hz)
Restitution temporelle à 10 Hz pour un gain de 4
45
40
35
30
25
Vitesse fil chaud (m/s)
20
Restitution de l'homognéité en envergure pour 10 Hz et 70 Hz, Gain 4
30
Vitesse max. fil chaud (m/s)
25
20
Vit Fil 10 Hz / Valfitmax1
Vit Fil 70 Hz / Valfitmax1
10
5
Vit Max. adimensionnée fil chaud filtré
1,2
15
1
200
300
Position X (mm)
9
400
500
600
GdrXmilG4/Car_X340_10hz_50%/ExitNI(dyn) (V)
0
-5 0
0,1
0,2
0,3
-10
-15
-30
0,6
-35
V adim 10 Hz
-40
V adim 70 Hz
-45
0,4
Temps (s)
0,2
-0,5
0
0,5
Abssisse X (mm)
1
1,5
0,4
0,5
0,6
GdrXmilG4/Car_X340_10hz_50%/ExitAmpli(dyn)
(V)
GdrXmilG4/Car_X340_10hz_50%/VitFurness(dy
n) (m/s)
-25
0,8
0
100
GdrXmilG4/Car_X340_10hz_50%/VitFil(flt) (m/s)
5
-20
0
0
GdrXmilG4/Car_X340_10hz_50%/VitFil(dyn)
(m/s)
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Comparaison des profils de vitesse adimensionnée pour 10 Hz et 70 Hz - Xmil=285mm - Gain 4
10
Fil chaud à environ 1 mm de l'orifice
Quelques résultats (2/6)
•
10
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
Quelques résultats (3/6)
•
Caractérisation de jets synthétiques (2/2)
•
Vitesse au centre (faisant varier Freq. et Volt.)
Moyenne de
phase sur une
période
•
11
Profil de vitesse le long de la fente (faisant varier Freq. et Volt.)
Quelques résultats (4/6)
•
12
Caractérisation de l’homogénéité d’actionneurs continus ou pulsés
Quelques résultats (5/6)
•
Mesure par fil chaud de l’homogénéité de la vitesse au voisinage d’un orifice
•
13
Vitesse = max(moyenne temporelle sur 2s) ; largeur fente = 0.1mm
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
Equipment
Hot wire anemometry
fmax>40kHz
Classical calibration
In-situ
calibration,
from
upstream total pressure and
density
In-situ calibration, from mass
flow meter and density
In-situ calibration, from airtight
bell
Optical metrology
LDV, max. frequency
depending on the seeding
quality
PIV, fixed frequency
•
Actuator type ►
Jet exit size►
Measured data ▼
Instantaneous velocity,
subsonic
Max. instantaneous
velocity, subsonic
Pulsed
Synthetic
Lower than
2 mm
no
Longer
than 2 mm
yes
Lower than
2 mm
no
Longer
than 2 mm
yes
yes
No interest
Substitution
tip with air
supply
No interest
Mean mass flow, subsonic
and supersonic
yes
yes
homogeneity
homogeneity
Instantaneous velocity of
particles
yes
yes
yes
yes
2D maps of instantaneous
velocities
Depend on
spatial
resolution
yes
Depend on
spatial
resolution
yes
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
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
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