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MÉTHODES DE MESURE EN
AÉRODYNAMIQUE
Partie 3
Mesure des grandeurs pariétales
Jean Délery
Conseiller émérite à l’Onera
[email protected]
Méthodes de mesure en aérodynamique
Partie 3
Mesures des grandeurs
pariétales
Pression pariétale
et capteurs de pression
Mesure des pressions par capteur
principe
orifices de petit diamètre (0,3 à 0,5 mm) à la paroi des maquettes :
prises de pression
en communication avec un appareil de mesure de la pression
manomètre (à mercure ou alcool) ou bien un capteur
capteur
transformer la pression ou effort à mesurer
en un signal électrique
traitement ultérieur
p
trois catégories de capteur
capteur relatif : mesure la pression par
rapport à une pression de référence
préférence
p  p  préférence
p1
capteur différentiel : mesure une
différence de pressions
p2
 p  p 2  p1
p
capteur absolu : mesure la pression
par rapport au vide
p
vide
principe général
utilisation d'un effet physique
capteurs passifs : effort de pression
déformation
d'une membrane
détection et mesure de la déformation
à jauges extensométriques
capacitifs
variation de capacité
à réluctance variable
capteurs actifs
piézorésistifs
piézoélectriques
variation de résistance
variation d'inductance
action directe de la pression
variation de résistance
effet piézoélectrique
membrane
+
J1
boîtier
J3
signal
jauges
J2
J4
pression
pont de Wheatstone
pour 4 jauges
capteur passif à jauges extensométriques
-
diaphragme
conducteur
pression 1
pression 1
métallisation
substrat
isolant
ouverture
pression 2
pression 2
circuit
équivalent
capteur passif à effet capacitif
membrane
armatures
pression 1
bobine
pression 2
capteur passif à réluctance variable
fils de liaison
jauges diffusées
pression
membrane de
silicium
capteur actif à élément piézorésistif diffusé
pression 1
élément
piézosensible
+++++++++++
éléments
------------------
pression 2
capteur actif à élément piézoélectrique
108
pression
(Pa)
104
B
A B C D
A
A : jauges extenso.
B : capacitif
C : réluctance variable
D : courant de Foucault
1
B
10-4
1
102
104
106
108 fréquence (Hz)
domaine de mesure des capteurs à membrane
108
A
B
pression
(Pa)
104
1
10-4
A : piézorésistifs
B : piézoélectriques
C : magétostrictifs
C
1
102
104
106
108 fréquence (Hz)
domaine de mesure des capteurs actifs
transmetteur : capteur (élément sensible + détecteur)
signal bas niveau
+ module électrique (alimentation + amplificateur)
signal haut niveau
sortie mesure
J1
J2
J3
régulateur
alimentation
J4
amplificateur
sortie
mesure
transmetteur (transducer) à jauges extensométriques
prise de
pression
alimentation
secteur
liaison
pneumatique
convertisseur
analogiquenumérique
CAN
transmetteur
traitement
conditionnement
stockage
chaîne de mesure - acquisition - traitement
capteur piézorésistif
D = 0,5mm
D = 0,5mm
capteurs miniatures
5 mm
capteurs piézorésistifs à jauges type semi - conducteur diffusées
dans un diaphragme en silice
élément sensible
(4 jauges en pont
de Wheatstone)
équilibrage du pont et
compensation en température
D = 2mm
écran de protection
capteur piézorésistif à jauges diffusées
capteur à élément en silicium résonant
aubes de turbine équipées de capteurs pelliculaires
contrôleur de pression
Mesure de N pressions par commutation
capteur
capteur
conditionneur - acquisition
commutation pneumatique
N prises en communication
avec un capteur
scrutation lente
 1 Hz
commutation électrique
N prises en communication
avec N capteurs
ensemble plus compact
scrutation très rapide :
20000 Hz
matériel Scanivalve™
commutateur pneumatique à 4 têtes de 48 voies
matériel Pressure Systems™
commutateur électronique à 16 voies + référence et calibration
matériel Pressure Systems™
commutateur électronique à 48 voies + référence et calibration
Peinture sensible à la pression (PSP)
principe
excitation par la lumière (lampe UV, laser) d'un composé organique
photo luminescent entrant dans la composition de la peinture
la désexcitation conduit à une émission de lumière (luminescence)
inhibée par les collisions des molécules excitées avec l'oxygène
(phénomène de quenching)
la quantité de lumière émise est d'autant plus faible que la pression
partielle d'oxygène est plus grande
Excitation
excitationIex
émission
Emission I
Moléculeexcitée
excitée M
molécule
Molécule
d'oxygène
molécule
Collisions
collisions
Agitation
agitationmoléculaire
moléculaire
(conversion
interne)
(conversion
interne)
d'oxygène
la quantité de lumière émise dépend de la concentration en
oxygène
pression partielle de O2
pression locale
Spectres d'émission de la peinture
20000
Intensité
(U.A.)
16000
12000
vide
vide
pression
atmosphérique
8000
4000
0
300
Pa
350
400
450
500
550
600
Longueur d'onde (nm)
spectre d'émission d'une PSP
650
700
diffusion d'oxygène
oxygène
Résine
perméable
résine
perméable
Maquette
maquette
dissolution des molécules dans une résine perméable
molécules
sensibles
molécules
sensibles
à la
pression
à la
pression
liant
liant
poreux
(poreux)
couche
d'accrochage
couche
d’accrochage
(optionnelle)
couche écran
couche
écran
matériau
maquette
matériau maquette
constitution d'un revêtement PSP
mode opératoire
1
la surface de la maquette est enduite avec le revêtement
sensible ou PSP
2
illumination par une source de lumière (lampe ultraviolette
ou laser)
3 la lumière émise est enregistrée par une caméra électronique
CCD haute résolution (caméra scientifique)
l'intensité de cette lumière est reliée à la pression partielle
d'oxygène donc à la pression locale de l'écoulement
mode opératoire
enregistrement
1
image de référence sans écoulement
2
image de travail avec écoulement
relation entre pression et intensité émise : loi de Stern-Volmer
I0
p
 AB
I
p0
p0 , I0 : image de référence
p , I : image de travail
rapport des images de référence et de travail
p
fibre optique
caméra CCD
maquette
illumination
maquette
montage du système PSP en soufflerie
onde de choc
incidence =0°
incidence =2°
répartition de pression sur une aile en flèche
-1.5
=2°
-1
prise
-0.5
Ti=27°C, Tref=12°C
0
0.5
0
0.2
0.4 x/c 0.6
0.8
1
comparaison avec des mesures par prises de pression
empreintes des tourbillons
d'extrados
pression à l'extrados d'une aile delta en incidence
mât
mâtsupport
support
fibre
optique
fibre optique
illumination de
la maquette
maquette
maquette
Peugeot 206
bloc peint
partie
peinte
répartition de pression sur la la partie arrière de la voiture
Flux de chaleur pariétal
qp
énergie thermique reçue par unité de temps et de surface
watts par m2 - ou W/m2
méthodes calorimétriques
solutions de l'équation de la chaleur
paroi épaisse
si flux constant
mcm
qp (t) 

qp 

t
0
d
T()
d
d
t
 mcm Tp (t)
2
t
équation de la chaleur
paroi mince (épaisseur e)
dTp (t)
qp (t)  mcme
dt
mesure de l'échauffement de la paroi en fonction du temps : T(t)
flux de chaleur qp (t)
mesure de Tp
thermocouples
films de platine
caméra infrarouge
Mesure de la température de la surface
jonction thermocouple sertie dans la paroi de la maquette
mesure de la tension développée par effet thermocouple
V  k T  k Tp  Tref   Tp  Tref 
V
k
film résistif mince déposé sur la paroi
mesure de la variation de la résistance du film avec la
température
R  R 0 1  T  T0 
rayonnement infrarouge de la paroi
Mesure de la température par thermocouple
écoulement
Tp
métal 1
Chromel
canon
métal 2
Alumel
paroi de la maquette
jonction froide
voltmètre
traitement
ampli
Tref
Mesure de la température par film résistif mince déposé sur la paroi
R1
film résistif
traitement
signal
R2

alimentation

R3
voltmètre
R4
mesure des variations de la résistance du film par pont de Wheatstone
0,5mm
épaisseur  3µm
films de platine pour la mesure de la température de surface
largeur du film  0,1mm
films de platine pour la mesure de la température de surface
insert avec films de platine
films de platine sur un barreau cylindrique
maquette équipée d'inserts avec films de platine
maquette NASA
maquette du Mars Pathfinder équipée de films de platine
Frame 001  22 Jan 2002  Essai N~0 : 1741
flux de chaleur
18
40000
17
16
35000
15
30000
13
12
25000
11
température
10
9
8
Th2
fl 2 = 37282.621
7
6
20000
15000
Flux (W/m2)
Température (°C)
14
10000
5
4
5000
3
2
0
2
4
6
8
0
t(s)
courbe d'échauffement et flux de chaleur correspondant
370
Tp (K)
350
330
tc01
tc02
tc03
tc04
tc05
tc07
tc08
tc09
tc10
tc11
310
temps (s)
1014
290
10
14
18
22
enregistrement de la température de surface
2500
qp
/ T  T 
h (W*m-2*s-1)
2000
i
h01
h02
h03
h04
h05
h07
h08
h09
h10
h11
p
1500
1000
500
0
1014
temps (s)
-500
10
14
18
22
valeurs correspondantes du flux de chaleur
Thermographie infrarouge
loi de Planck pour le flux radiatif du corps noir
2 5
2hC 
L 
 hC 
exp
 1
 kT 
0

 : longueur d'onde de la radiation émise
C : vitesse de la lumière
h : constante de Boltzmann
T : température du corps
corps réel
L OX  0 X L
0

0X emissivité
hublot
caméra infrarouge
maquette
montage en soufflerie
détection du flux radiatif du corps par une caméra infrarouge
recalage de l'image par rapport à l'objet réel
conversion en températures locales
enregistrement des images thermiques en fonction du temps
détermination de la température de surface en fonction du temps
calcul du flux de chaleur pariétal
distribution de flux de chaleur sur un hémisphère à Mach 5
Peinture thermocolor
principe
maquette revêtue d'une peinture thermocolor dont la couleur
change avec la température
méthode
changements de couleur enregistrés en fonction du temps
maquette filmée puis dépouillement des films
en chaque point du champ
du temps
flux de chaleur
température en fonction
avantages/inconvénients
donne la répartition du flux de chaleur sur toute une surface
excellente visualisation des zones chaudes
procédé irréversible
chaque essai
la maquette doit être repeinte après
mesure peu précise
technique abandonnée au profit de la thermographie infrarouge
image thermocolor de l'échauffement
du véhicule hypersonique Hermès
image thermocolor de l'échauffement de l'intrados
du véhicule hypersonique Hermès
image thermocolor de l'échauffement de la cabine du
véhicule hypersonique Hermès
Avantages et inconvénients des méthodes
mesure de température par thermocouples ou films résistifs


méthode classique éprouvée
précision maîtrisée  10% sur le flux de chaleur
 mesure ponctuelle, équipement des maquettes coûteux
mesure de température par technique infrarouge



précision variable, dépend du point de vue,
de l'emissivité de la surface, de l'ambiance thermique
de la veine d'essai
donne l'ensemble de la répartition sur la surface observée
pas d'équipement coûteux des maquettes
de plus en plus utilisée
Frottement pariétal
Y
Z
ligne de courant externe
structure d'une couche
limite tridimensionnelle
Ve vitesse extérieure
profil transversal
Z
X
profil longitudinal
X
Z
vecteur frottement pariétal
ligne de frottement
effort tangentiel exercé par le fluide par unité de surface
en tridimensionnel le frottement est un vecteur ayant
deux composantes selon deux directions dans la surface

 u  
 w  
p  p   i  p 
 j
 y  p
 y  p
bidimensionnel
une composante dans le plan de l'écoulement

 u  
p  p   i
 y  p
balance de frottement
mesure directe de la force : élément flottant inséré dans la surface
paroi de la maquette
p
élément flottant
balance d'effort
( à jauges extensométriques)
signal
tube de Preston
mesure de la pression d'arrêt très près de la paroi par une sonde
aplatie ou une lame de rasoir
frottement pariétal
(relation semi-empirique ou étalonnage)
pression d'arrêt
lame de rasoir
sonde
paroi
capteur
méthode du coin d'huile
mesure de la forme d'un film d'huile déposé sur la paroi
théorie de la lubrification (du coin d'huile)
interféromètre
x
coin d'huile
y
paroi
x
y
p t
mesure de y en fonction du temps t à une position
x fixée
p
rayon 1
faisceau
incident
r
i
rayon 2
air
P
écoulement
I
t

K
J
huile
film de mylar
h
sens de
l’écoulement
t = 0 mn
t = 0 mn
2 mn
4 mn
4 mn
6 mn
6 mn
8 mn
8 mn
10 mn
10 mn
12 mn
a) Mach
P = constant
p cons
tan t
Mach
0,4 -0.4
c) Mach
Mach
0,60.6- -Pp=f(x)f (x)
capteur à film ou fil chaud
en fait sensible à la température et au flux de chaleur
exploitation de l'analogie de Reynolds : relation entre flux
de chaleur et frottement
coefficient de
flux de chaleur
Cf
Ch 
2
en pratique : étalonnage du capteur à partir d'une mesure
plus directe du frottement (perte de charge dans un tube,
balance de frottement…)
ajustement sur la loi logarithmique
loi logarithmique universelle pour une couche limite turbulente
u
1
y u

Log
5
u 0,41

vitesse de frottement
viscosité cinématique
p
u 
p



p
ajustement sur la loi logarithmique
exploration (tube de Pitot, fil chaud, vélocimétrie laser)
détermination du profil de vitesse de la couche limite
u
u
30
expérience
20
loi logarithmique
10
u y

0
1
10
100
coïncidence de l'expérience avec la loi log
1000
u
p
MÉTHODES DE MESURE EN
AÉRODYNAMIQUE
Fin de la partie 3
Mesures des grandeurs pariétales

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