Méthode des sphères de turbulence : Évaluation de la qualité de l'écoulement en soufflerie

Dans les essais aérodynamiques, les souffleries sont inestimables pour déterminer les propriétés aérodynamiques de divers objets et aéronefs à l’échelle. Les données de la soufflerie sont générées en appliquant un flux d’air contrôlé à un modèle d’essai, qui est monté à l’intérieur de la section d’essai. Le modèle de test a généralement une géométrie similaire, mais à une échelle plus petite, par rapport à l’objet réel.

Afin de garantir l’utilité des données générées lors des essais en soufflerie, nous devons assurer une similitude dynamique entre le champ d’écoulement en soufflerie et le champ d’écoulement réel sur l’objet réel. Pour maintenir la similitude dynamique, le nombre de Reynolds de l’expérience en soufflerie doit être le même que le nombre de Reynolds du phénomène d’écoulement testé.

Cependant, les expériences effectuées en soufflerie ou à l’air libre, même avec le même nombre de Reynolds, peuvent donner des résultats différents en raison des effets de la turbulence à écoulement libre à l’intérieur de la section d’essai en soufflerie. Ces différences peuvent être perçues comme un nombre de Reynolds effectif plus élevé pour la soufflerie. Alors, comment corrélons-nous les tests en soufflerie aux expériences en air libre ?

Nous pouvons estimer l’intensité de la turbulence du flux libre dans la soufflerie en utilisant un objet bien défini avec un comportement d’écoulement connu, comme une sphère. Cette méthode est appelée méthode de la sphère de turbulence. La méthode de la sphère de turbulence repose sur la condition bien étudiée appelée crise de traînée de sphère.

La crise de traînée de sphère décrit le phénomène où le coefficient de traînée d’une sphère chute soudainement lorsque le nombre de Reynolds atteint une valeur critique. Lorsque l’écoulement atteint le nombre critique de Reynolds, la couche limite passe de laminaire à turbulente très près du bord d’attaque de la sphère. Cette transition, par rapport à l’écoulement à faible nombre de Reynolds, provoque une séparation retardée de l’écoulement et un sillage turbulent plus mince, ce qui réduit la traînée.

Par conséquent, nous pouvons mesurer le coefficient de traînée d’une sphère à une plage de nombres de Reynolds d’essai pour déterminer le nombre de Reynolds critique. Cela nous permet de déterminer le facteur de turbulence, qui corrèle le nombre de Reynolds du test à l’efficacité du nombre de Reynolds.

Dans cette expérience, nous allons démontrer la méthode des sphères de turbulence à l’aide d’une soufflerie et de plusieurs sphères de turbulence différentes avec des prises de pression intégrées.

Cette expérience utilise une soufflerie aérodynamique ainsi que plusieurs sphères de turbulence de diamètre variable pour déterminer le niveau de turbulence de l’écoulement libre dans la section d’essai du tunnel. Les sphères de turbulence, chacune avec une prise de pression sur le bord d’attaque ainsi que 4 prises de pression situées à 22,5° du bord de fuite, ont des caractéristiques d’écoulement bien définies, qui nous aident à analyser les turbulences en soufflerie.

Pour mettre en place l’expérience, connectez d’abord le tube de Pitot de la soufflerie au port numéro 1 du scanner de pression. Ensuite, connectez l’orifice de pression statique de la soufflerie à l’orifice numéro 2. Maintenant, verrouillez le solde externe. Fixez la sphère dans le support de balancier à l’intérieur de la soufflerie.

Ensuite, installez la sphère de 6 pouces. Connectez la prise de pression du bord d’attaque à l’orifice numéro 3 du scanner de pression et connectez les quatre prises de pression arrière à l’orifice 4. Connectez la conduite d’alimentation en air au régulateur de pression et réglez la pression à 65 psi. Ensuite, connectez le collecteur du scanner de pression à la conduite de pression régulée à 65 psi.

Démarrez le système d’acquisition de données et le scanner de pression. Pendant que le système s’équilibre, estimez la pression dynamique maximale, q max, nécessaire pour l’essai en vous basant sur le nombre critique de Reynolds à l’air libre pour une sphère lisse.

Nous énumérons ici les paramètres de test recommandés pour le premier et le deuxième test de chaque sphère. Maintenant, à l’aide de ces paramètres, définissez la plage d’essai de pression dynamique de zéro à q max, puis définissez les points d’essai en divisant la plage en 15 intervalles.

Avant de faire l’expérience, lisez la pression barométrique dans la pièce et notez la valeur. Lisez également la température ambiante et notez sa valeur. Appliquez les corrections à la pression barométrique à l’aide de la température ambiante et la géolocalisation à l’aide des équations fournies par le fabricant du manomètre.

Maintenant, configurez le logiciel d’acquisition de données en ouvrant d’abord le programme de numérisation. Ensuite, connectez le logiciel DSM 4000, qui lit et étalonne le signal du capteur de pression, en définissant l’adresse IP appropriée et en appuyant sur connecter. Insérez les commandes comme indiqué, qui sont définies par le fabricant, en n’oubliant pas d’appuyer sur Entrée après chaque commande.

Maintenant que le logiciel est prêt, assurez-vous que la section d’essai et la soufflerie sont exemptes de débris et de pièces détachées. Ensuite, fermez les portes de la section d’essai et vérifiez que la vitesse de la soufflerie est réglée sur zéro. Allumez la soufflerie, puis allumez le système de refroidissement de la soufflerie.

Avec la vitesse du vent égale à zéro, commencez à enregistrer les données sur le système d’acquisition de données, puis tapez la commande scan pour démarrer la mesure de la pression. Ensuite, enregistrez la température de la soufflerie. Étant donné que la vitesse du vent est directement liée à la pression dynamique, augmentez la vitesse du vent jusqu’à ce que vous atteigniez le prochain point de test de pression dynamique. Ensuite, attendez que la vitesse de l’air se stabilise et recommencez le balayage de pression. Assurez-vous de noter la température de la soufflerie. Poursuivez l’expérience en effectuant un balayage de pression à chacun des points de pression dynamiques, en enregistrant la température de la soufflerie à chaque fois. Lorsque tous les points ont été mesurés pour la sphère de 6 pouces, répétez l’expérience de stabilisation et de balayage de pression pour les sphères de turbulence de 4,987 pouces et de 4 pouces.

Pour chaque sphère, nous avons mesuré la pression de stagnation au niveau de l’orifice de pression 3 et la pression aux orifices arrière via l’orifice de pression 4, qui sont soustraites pour donner la différence de pression, delta P. Nous avons également mesuré la pression totale de la section d’essai, Pt, à partir de l’orifice de pression un et la pression statique, Ps, à partir de l’orifice de pression deux, qui sont utilisées pour déterminer la pression dynamique d’essai, q.

Ensuite, nous pouvons calculer la pression normalisée, qui est égale à la différence de pression divisée par la pression dynamique. La pression atmosphérique et la température du flux d’air ont également été enregistrées, ce qui a permis de calculer les propriétés du flux d’air. N’oubliez pas qu’il y a une fente dans la section de test, ce qui signifie qu’elle est ouverte à l’air ambiant. Par conséquent, en supposant qu’il n’y a pas de gradient de pression dans le sens du courant dans la section d’essai, la valeur absolue de la pression statique locale de l’écoulement à courant libre peut être utilisée comme pression de l’air ambiant.

La masse volumique est obtenue à l’aide de la loi des gaz parfaits et la viscosité obtenue à l’aide de la formule de Sutherland. Une fois que la densité et la viscosité de l’air ont été déterminées, nous pouvons calculer le nombre de Reynolds. Ici, nous montrons un graphique du nombre de Reynolds en fonction de la différence de pression normalisée, delta P sur q.

À l’aide de ce graphique, nous pouvons déterminer le nombre de Reynolds critique pour chaque sphère, puisque le nombre de Reynolds critique correspond à une valeur de pression normalisée de 1,22. Avec chaque nombre de Reynolds critique, nous pouvons évaluer le facteur de turbulence et le nombre de Reynolds effectif. Le facteur de turbulence est corrélé à l’intensité des turbulences dans la soufflerie.

En résumé, nous avons appris comment la turbulence en flux libre affecte les tests en soufflerie. Nous avons ensuite utilisé plusieurs sphères lisses pour déterminer le facteur de turbulence et l’intensité de l’écoulement en soufflerie et évaluer sa qualité.