Propulsion et poussée

Les systèmes de propulsion par fluide sont omniprésents dans la conception mécanique et sont utilisés chaque fois qu’une force relative doit être appliquée entre un système mécanique et un fluide. Tous les aéronefs et les aéronefs utilisent des systèmes de propulsion à fluide pour fournir les forces de propulsion ou les poussées nécessaires à l’accélération et à la direction à travers le fluide environnant. Leur utilisation ne se limite cependant pas aux véhicules. Les systèmes stationnaires tels que les équipements CVC utilisent également des systèmes de propulsion. Mais dans ces cas, ils entraînent la circulation du fluide lui-même. Cette vidéo illustrera comment la poussée est produite par les systèmes de propulsion à fluide à fonctionnement ouvert, une catégorie qui comprend les hélices et les ventilateurs. Et démontrer comment la poussée et l’efficacité de la poussée peuvent être estimées et mesurées en laboratoire.

La poussée des systèmes de propulsion à fluide à fonctionnement ouvert, tels que les hélices d’avion ou les hélices de bateau, est produite par l’accélération du fluide ambiant à grande vitesse. Ces systèmes aspirent le fluide d’une grande zone en amont et l’évacuent en aval dans un jet étroit. Avec une zone d’écoulement à peu près la même que la surface de la face de l’hélice. Voyons comment la poussée est générée en adoptant une approche de volume de contrôle. Commencez par construire un volume de contrôle le long des lignes d’écoulement autour de l’hélice, s’étendant de la zone d’admission à la zone d’écoulement sortant. Le débit massique dans le volume de contrôle à l’admission est le produit de la densité du fluide en amont, de la surface d’admission et de la vitesse du fluide en amont. De même, le débit massique sortant du volume de contrôle à l’échappement est le produit de la densité du fluide en aval, de la surface d’écoulement et de la vitesse du fluide en aval. Par définition, aucun écoulement massique ne se produira à travers la limite de la rationalité. En fonctionnement stable, la masse à l’intérieur du volume de contrôle doit rester constante. Ensuite, par conservation de la masse, le taux de masse sortant par la zone d’écoulement doit être égal au taux de masse entrant par la zone d’admission. Maintenant, comme les densités d’admission et de sortie sont à peu près égales, la vitesse de sortie sera égale à la vitesse d’admission mise à l’échelle par le rapport entre l’entrée et la surface d’écoulement. Étant donné que la zone d’admission est beaucoup plus grande que la zone d’écoulement, la vitesse d’écoulement sera beaucoup plus élevée que la vitesse d’admission. De la même manière, la conservation de la quantité de mouvement exige que toute différence dans les débits de quantité de mouvement à l’extérieur et à l’intérieur du volume de commande se manifeste sous la forme d’une force exercée sur l’hélice, la poussée. Étant donné que les débits massiques entrants et sortants sont équilibrés et que la vitesse d’écoulement est beaucoup plus élevée que la vitesse d’admission, la contribution du terme de vitesse d’admission est négligeable. L’extension du terme de débit massique dans ce résultat montre que la poussée est bien approximée par la surface d’écoulement et la vitesse. Dans tout système de propulsion, l’énergie est fournie par une source externe pour générer la poussée. L’efficacité de poussée du système, désignée ici par la lettre grecque eta, est définie comme le rapport entre la poussée générée et la puissance d’entrée. Par exemple, les hélices d’avions miniatures et les ventilateurs PC sont entraînés par un moteur électrique. Si la poussée est connue, il suffit de la diviser par la puissance d’entrée électrique pour obtenir l’efficacité de la poussée. Dans les sections suivantes, nous mesurerons la poussée et l’efficacité de poussée de certains petits systèmes de propulsion à l’aide d’un banc d’essai statique. Et puis comparez la poussée mesurée à une estimation basée sur la vitesse d’écoulement.

Assemblez le banc d’essai comme décrit dans le texte et installez-le sur le banc. Le support a une section rigide en « L » soutenue par un pivot au niveau de l’articulation. Positionnez l’échelle de précision sous l’extrémité du bras horizontal court. Le couple de l’échelle numérique sur le bras court équilibrera tout couple généré par la poussée sur le bras long. Et la différence de longueurs amplifie la force mesurée par l’échelle pour donner des lectures plus précises. Une fois le banc d’essai assemblé, montez la plus petite hélice sur le bras vertical long et alignez l’axe de l’hélice de manière à ce qu’il soit parallèle au bras court. Mesurez et enregistrez le diamètre de l’hélice et le diamètre du moyeu. Mesurez et enregistrez maintenant les longueurs des deux bras de moment. Le bras long doit être mesuré de l’axe de pivot à l’axe de l’hélice. Et le bras court doit être mesuré à partir de l’axe de pivot jusqu’au point de contact sur l’échelle. Connectez le moteur à une alimentation CC variable et allumez-le pour vérifier la direction du flux d’air, qui doit être dirigé de manière à ce qu’il y ait une force vers le bas sur l’échelle. Coupez l’alimentation, et si nécessaire corrigez le sens du flux d’air en inversant la connexion électrique. Lorsque le moteur est complètement immobile, tarchez l’échelle. Ouvrez l’alimentation et augmentez la tension de zéro volts, par incréments de quatre volts, jusqu’à la tension d’alimentation maximale du moteur, sans la dépasser. Pour chaque pas de tension, attendez que le moteur se stabilise, puis enregistrez la tension, le courant, la lecture moyenne de l’échelle et la plage de l’échelle. Si un anémomètre thermique est disponible, mesurez la vitesse de l’air sortant pour une tension d’entrée faible et une tension d’entrée élevée. Notez que la vitesse d’écoulement varie en fonction de la position, il ne s’agit donc que d’une mesure d’ordre de grandeur. Répétez ce processus pour le moteur plus gros et le ventilateur du PC. Une fois les mesures terminées, vous êtes prêt à analyser les données.

Regardez les données collectées pour la petite hélice. Pour chaque tension d’alimentation, il y a également un courant d’alimentation et les lectures de l’échelle. Vous devriez également avoir quelques mesures de la vitesse de l’air sortant. Effectuez les calculs suivants pour chaque valeur de tension d’alimentation. Calculez la poussée à partir de la lecture de l’échelle. La force sur l’échelle est la lecture multipliée par l’accélération due à la gravité. Et la poussée est cette force amplifiée par le rapport des bras de moment mesuré précédemment. Calculez maintenant la puissance d’entrée du moteur, qui est simplement le produit de la tension et du courant. Ensuite, calculez l’efficacité de la poussée en prenant le rapport entre la poussée et la puissance d’entrée. Si la vitesse d’écoulement a été mesurée, vous pouvez l’utiliser pour prédire la poussée. Calculez d’abord la surface d’écoulement approximative en prenant la différence entre les zones de l’hélice et du moyeu. Combinez ensuite ce résultat avec la vitesse mesurée pour estimer la poussée à l’aide de l’équation de poussée précédente. Propagez vos incertitudes de mesure comme indiqué dans le texte pour déterminer l’incertitude dans vos résultats finaux. Répétez ces calculs pour la grande hélice et le ventilateur.

Commencez par tracer la poussée en fonction de la puissance d’entrée pour les trois appareils. Le ventilateur du PC produit la poussée la plus élevée des trois et a une puissance d’entrée maximale beaucoup plus élevée. La petite hélice produit un peu plus de poussée que la grande à n’importe quelle puissance d’entrée donnée, mais le grand ventilateur est capable de fonctionner à des puissances plus élevées. Comparez maintenant l’efficacité de la poussée en fonction de la puissance d’entrée. L’efficacité de poussée de la grande hélice reste assez constante, mais l’efficacité diminue avec l’augmentation de la puissance des deux autres dispositifs. Si vous avez pris des mesures de la vitesse de l’air sortant, comparez la plage estimée des poussées en fonction de celles-ci à la poussée mesurée sur le banc d’essai. Vous devriez trouver un bon accord entre la prédiction et la mesure. Mais en raison de la mesure approximative de la vitesse d’écoulement, cette analyse ne doit être interprétée que comme qualitative.

Les systèmes de propulsion par fluide sont omniprésents dans une variété de systèmes mécaniques et naturels. La mobilité est essentielle à la survie de nombreuses créatures sous-marines, et une grande variété de systèmes de propulsion naturels ont évolué en conséquence. La propulsion par jet des céphalopodes, les nageoires des poissons et les flagelles des amibes n’en sont que quelques exemples. Il est important d’apprendre comment ces systèmes fonctionnent pour comprendre comment ces animaux vivent et interagissent avec leur environnement. Les éoliennes et les turbines fonctionnent selon les mêmes principes que ceux abordés dans cette vidéo, mais appliqués à l’envers. Au lieu d’utiliser l’énergie stockée pour générer de la poussée, ces systèmes extraient l’élan et l’énergie de l’air. L’arbre rotatif de l’éolienne peut entraîner un processus mécanique ou bien être connecté à un générateur pour produire de l’électricité.

Vous venez d’assister à l’introduction de Jupiter à la propulsion et à la poussée. Vous devriez maintenant comprendre les principes de base de la génération de poussée avec un système de propulsion fluide à fonctionnement ouvert. Vous avez également appris à effectuer des essais de poussée statique à petite échelle et à déterminer l’efficacité de la poussée. Merci d’avoir regardé.