of 41 /41
100 ans de mécanique des fluides

100 ans de mécanique des fluides - cmefe.ch · 100 ANS DE MECANIQUE DES FUIDES Les laboratoires a l’origine du cmefe ont 100 ans. A cette occasion, nous publions le présent livre

  • Author
    dinhtu

  • View
    228

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of 100 ans de mécanique des fluides - cmefe.ch · 100 ANS DE MECANIQUE DES FUIDES Les laboratoires a...

  • 100 ans de mcanique des fluides

  • 2010 cmefe / hepia / HES-SO//GenveAuteur : Patrick HaasDate: 22 mars 2010, 2me dition

  • iii

    CMEFE - Groupe de comptences en mcanique des fluideset procds nergtiques

    hepiaRue de la Prairie 4CH 1202 Genve

    Tlphone +41 22 54 62 660Tlcopieur +41 22 54 62 [email protected]

    http://www.cmefe.chhttp://www.hesge.ch/hepia

  • iv

  • v

    Ceux qui consacrent leur vie la Science peuvent, juste titre, tre fiers, tout comme ceux qui, comme vous, tudiants et tudian-tes, peuvent consacrer quelques annes de leur vie une discipline scientifique, car il ny a rien de plus beau, malgr le travail et la peine que cela exige, que la possibilit de se consacrer la recherche de la vrit sur la nature et sur lhomme.

    Les tudes vous permettent de dcouvrir linfinie richesse du savoir humain, la diversit inoue des cratures depuis la plus grande jus-qu la plus petite la magnificence de lunivers, les merveilles de la nature. Apprenez aussi remercier le Crateur pour la vie. Retrouvez ce lien organique et fondamental entre le culte et la culture, ce lien qui a toujours t la moelle des plus belles civilisations.

    La tche de luniversit est aussi denseigner, mais au fond, elle est l pour que lhomme qui la frquente, qui possde dj sa propre raison un tant soit peu dveloppe et une certaine exprience vitale, pour que cet homme apprenne penser seul. Le rle de luniversit est de librer le potentiel intellectuel et spirituel de lhomme, et de laider se librer mais cette libration est un acte propre et per-sonnel.

    Jean-Paul II,extraits de discours prononcs lors de rencontresavec des tudiants Kinshasa, Louvain et Lublinentre mai 1979 et mai 1985.

  • vi

    Lquipe du cmefe

    Flavio NocaProfesseur HES

    Patrick HaasProfesseur HES

    Roberto PutzuProfesseur HES

    Pierre-Louis SchmittAssistant de recherche HES

    Meytham AstaneparastAssistant HES

    Pierre MunierAssistant HES

    Piero PontelandolfoAssistant HES

    Christophe CeruttiAssistant technique

    Charles BrackAssistant technique

  • vii

    100 ANS DE MECANIQUE DES FUIDES

    Les laboratoires a lorigine du cmefe ont 100 ans. A cette occasion, nous publions le prsent livre. Il nest pas un document historique re-traant avec exactitude son histoire, mais plutt comme un message damiti et de reconnaissance tous ceux qui lont frquent ou qui le frquentent aujourdhui.

    Lhistoire de la mcanique des fluides Genve est une histoire damour. Dabords parce quil sagit dune ville btie sur le Rhne, un des plus beau fleuve dEurope, ensuite parce que de nombreu-ses socits genevoises excellent ou ont excell dans cette discipline. Parmis elles, la socit Charmilles, qui a produit des turbines hydrau-liques. Il y a galement la socit Hispano, dont le fondateur Mark Birkigt a t un des premiers lves de lEcole des Arts et Mtiers de Genve lorigine de lcole actuelle.

    Les pages qui suivent prsentent quelques activits du cmefe et vous invitent partager avec nous 100 ans de passion pour une des plus belles sciences, la mcanique des fluides.

    Lquipe du cmefe

  • 1

    HISTORIQUE

    Les laboratoires darotechnique et dhydraulique de lEcole dIng-nieurs de Genve, anciennement lEcole des Arts et Mtiers, existent depuis 1905. Lcole situe ct de la gare Cornavin, a par la suite dmnag la rue de la Prairie dans le quartier des Dlices. Les ac-tivits de ces laboratoires taient essentiellement orients dans les domaines de larodynamique des avions lgers et des planeurs, de lhydraulique et des moteurs.

    Les travaux raliss depuis se sont inscrits dans un domaine beau-coup plus large :

    - Aronautique- Fuses, propulseurs eau surchauffe (Pohwaro), liquides et poudre- Arodynamique des btiments- Sport- Systmes de mesure- Arodynamique des trains et autres vhicules

    Ralisation dune soufflerie didactique (1970)

  • 2

    Depuis les annes 1980, la modlisation numrique est galement une part importante des dveloppements raliss. En 1982, un code de calcul dcoulements supersoniques est dvelopp, puis un code destin aux coulements transsoniques (1984).

    En 1987, le laboratoire dArotechnique a dmnag sous le Pont-Butin au Petit-Lancy (Genve) dans des locaux ayant appartenu la socit Hispano. Il sagit dun ancien tunnel destin initialement au passage des trains. Il a t amnag en laboratoire et comporte aujourdhui des installations modernes destines la recherche. Il sagit notamment :

    - Une soufflerie subsonique de grandes dimensions- Un local laboratoire dans lequel sont installes des souffleries subsoniques et supersoniques, ainsi que des machines-outils- Un local dtalonnage de balances- Des bureaux et des salles de travail- Des locaux de stockage de carburant- Une salle de calcul destine la simulation des coulements

    Simulation dcoulements transsoniques (1984)

  • 3

    A la mme poque, le laboratoire dnergtique applique a t quant lui transfr dans lancienne usine Verntissa Vernier (Genve). En 2002, les laboratoires darotechnique, dnergtique applique et de machines hydrauliques ont t regroups sous une seule entit, le cmefe, groupe de comptence en mcanique des fluides et procds nergtiques.

    Grande soufflerie du cmefe (1995)

  • 4

    Modlisation CFD dun jet de dilectrique (2005)

  • 5

    COMPETENCES

    Depuis de nombreuses annes le cmefe dveloppe des activits de recherche dans les domaines suivants :

    - La mcanique des fluides exprimentale- La modlisation des coulements- Lnergtique- La thermique

    Axes stratgiques :

    De manire rpondre aux questions actuelles qui se posent, les acti-vits de recherche du cmefe sont orientes selon deux axes qui sont

    1) Lapplication de la mcanique des fluides

    - Arodynamique interne et externe des constructions- Arodynamique des systmes de transport et de leurs composants- Environnement- Optimisation de procds industriels- Refroidissement des systmes lectroniques- Amlioration des performances des quipements sportifs

    2) Lnergtique

    - Transformation des nergies renouvelables- Dveloppement de techniques dutilisation des bio-carburants- Valorisation des rejets thermiques pour la production dlectricit- Gestion optimale de lnergie

  • 6

    ACTIVITES

    Le cmefe est partenaire de nombreux dveloppements industriels et projets de recherche. Vous trouverez dans les pages qui suivent un rsum de quelques activits.

    En termes de ressources, leur rpartition sur les trois dernires an-nes stablit selon la figure ci-dessous. Les prestations lindustrie sont des mandats effectus pour des clients et facturs lheure ou la prestation. Les projets EU, CTI ou HES sont des projets financs en partie par des institutions tatiques suisses ou europennes. Finale-ment, la dernire tranche reprsente les activits denseignement du cmefe finances par la HES-SO et les cantons.

    Le cmefe porte un intrt particulier aux contrats avec lindustrie. Nous pensons que cest une excellente manire de mettre en contact nos tudiants avec le milieu qui les attend. Nous avons pu remarquer quils sont trs sensibles cette dmarche.

    Rpartition des ressources

  • 7

    GRANDE SOUFFLERIE DU CMEFE

    La conception de la grande soufflerie subsonique du cmefe a dbut en 1987. Un concept se rapprochant de celui dvelopp par Eiffel a t imagin par Michel Perraudin et patrick Haas. Elle a t installe dans un ancien tunnel destin lorigine la circulation ferroviaire. Le retour de lair nest pas libre. Il a lieu dans lespace annulaire entre la construction et les parois du tunnel en bton arm.

    Le trac de la buse convergente a t ralis laide de modles nu-mriques se basant sur des mthodes de singularits et dont lexacti-tude a t amliore grace des donnes semi-empiriques.

    La construction de lensemble a t acheve en 1995. Les gros oeuvres ont t raliss par des entreprises, mais une grande partie de la soufflerie a t ralise en faisant appel des actions de loffice cantonal de lemploi du Canton de Genve. Des amliorations lui sont constament apportes, de manire profiter des dernires innova-tions.

    Grande soufflerie subsonique

  • 8

    Vue de plan de linstallation

  • 9

    Caractristiques :

    Longueur : 55 mSection maximum : 4,6 m x 4,6 m .

    Veine de mesure :

    Dimensions : 4 m x 2 m x 1,5 mVitesse maximale : 80 m/s (env. 300 km/h)

    Motorisation :

    Ventilateurs axiaux : 4 x 10 pales 1,4 m.Puissance unitaire : 75 kW.Puissance totale max. 300kW (408cv)Dbit dair : 240 m3/s ou 756000 m3/h.Temprature de service : entre 15 et 30 C.

    Dveloppement de lavion Smartfish

  • 10

    Vue du laboratoire

    La prparation dun essai

  • 11

    BALANCES

    La mesure des forces et des moments agissants sur des maquettes ou des hommes est ralise par des systmes complexes faisant in-tervenir des technologies pointues. Depuis ses dbuts le cmefe dve-loppe ce type dunits pour son propre usage.

    Deux types de balances sont dveloppes. Il sagit de balances stati-ques de trois six composantes (trois forces et trois moments) et des balances dynamiques dont la rsolution peut atteindre 0.01 Newton sur une capacit de 1000 Newtons.

    Des contacts troits avec des grands centres de recherche europens de laronautique lui permettent de raliser des systmes parmis les plus sensibles et les plus stables qui existent.

    Une chane de mesure informatise et un local destin ltalonnage muni de diffrents statifs viennent complter cette ensemble.

    Balance six composantes jauges dextensomtrie

  • 12

    SOUFFLERIE SUPERSONIQUE

    Le cmefe possde une soufflerie supersonique rafales. Des coule-ments dont le nombre de Mach peut atteindre 2,4 (env. 3000 km/h) sont gnrs par dtente de lair dans une conduite munie dun col. Lcoulement est visualis laide dun systme optique de type Schlieren.

    Rservoir :Capacit : 20 m3 - 16 barsTemprature de travail : 100 C

    Veine de mesure :Type : rectangulaire 120 x 80 mmTuyres interchangeables : Mach 1,4 - 1,8 - 2,4

    Motorisation :Temp de mise en pression : 9 heures, temps de travail : 90 s.Compresseur double tage 7,5 kWOndes de chocs dans un coulement Mach 2,4

    Ondes de choc et de dtente dans un coulement Mach 2,4

  • 13

    METHODES DE VISUALISATION

    Le cmefe a dvelopp plusieurs mthodes de visualisation des cou-lements. Les images qui suivent ont t ralises dans le cadre de travaux sur les tourbillons dapex et ceux dits marginaux qui se dve-loppent en bouts dailes ou de surfaces portantes quelconques.

    La mise en vidence des structures tourbillonnaires est la base de la comprhension des phnomnes arodynamiques existants autour dun corps. Elle permet de dvelopper des effets hypersustentateurs, de rduire la rsistance lavancement ou doptimiser une perfor-mance quelconque.

    Ces systmes ne sont pas seulement des outils de recherche, ils sont aussi des outils pdagogiques efficaces. Ils permettent dillustrer les phnomnes arodynamiques de base et servent donc aussi de sup-port lenseignement de la dynamique des fluides.

    Montage dun modle sur pilnes motoriss

  • 14

    Canne et fumigne

    Visualisation des tourbillons dapex

  • 15

    Visualisation par treilli de tufts

    Visualisation de tourbillons dans un plan laser

  • 16

    Structure tourbillonaire transitoire

    Visualisation des coulements paritaux

  • 17

    SOUFFLERIE VERTICALE

    Le cmefe a dvelopp une soufflerie verticale destine ltude de corps en chute libre. Un puissant ventilateur pulse de lair dans une conduite lgrement divergente. Les modles sont lachs depuis lex-trmit suprieure de linstallation. Ils se stabilisent une certaine hauteur dans la conduite et le poids est alors exactement compens par la rsistance arodynamique. Cette installation a t la base du dveloppement de sacs parachutes destins au largages humanitai-res.

    Soufflerie verticale du cmefe

  • 18

    SPORTS ET EQUIPEMENTS

    Depuis environ 15 ans, les sports de glisse reprsentent un domaine dacitivits important du cmefe. Des skieurs, des lugeurs ou des hom-mes volants de plusieurs pays dEurope sentranent rgulirement dans la grande soufflerie genevoise.

    Les essais sur des hommes reprsentent une situation complexe. La rptitivit des essais, la mesure de la position des personnes ou les aspects relatifs la scurit forment un ensemble de contraintes qui ncessite un savoir-faire particulier.

    Le cmefe a contribu ltablissement de plusieurs records du monde. Il contribue galement au dveloppement dquippements. Il oriente actuellement ses recherches dans la comprhension et la mesure des frottements.

    Skieurs de vitesse

  • 19

    Equipe olympique de France

    Vue depuis la chambre de tranquilisation

  • 20

    ECO-MOBILES

    La HES-SO participe chaque anne lco-marathon organis par Shell sur le circuit de Nogaro dans le sud de la France. Le vhicule Consomini ralis par la Haute Ecole de lArc Jurassien, lEcole dIn-gnieurs et dArchitectes de Fribourg et lEcole dIngnieurs de Ge-nve a parcourru en mai 2004 lquivalent de 1200 km avec un litre dessence la vitesse moyenne de 30 km/h. Le projet a galement obtenu deux prix.

    Le cmefe est partenaire de ce projet. Il a ralis ltude de laro-dynamique du vhicule. Il a effectu des campagnes dessais et des simulations numriques en vue doptimiser sa rsistance lavance-ment.

    Une technique de numrisation tridimensionnelle a t utilise pour retrouver en fin dtude une image de la maquette modifie.

    Le vhicule Consomini

  • 21

    Maillage destin la simulation CFD de lcoulement

    Etude arodynamique pleine chelle

  • 22

    Etude des champs de pressions et de vitesses

    Fonctions de taille du maillage

  • 23

    BIOMOBILE.CH

    Une seconde co-mobile a t cre par la HES-SO. Il sagit dun v-hicule destin participer lEco-marathon Shell fonctionnant avec une bio-essence issue 100% de dchets vgtaux. Le projet est ra-lis en collaboration avec la socit genevoise Biocarb SA.

    Une partie de linnovation apporte par le carburant utilis rside dans le fait quil nest pas destin uniquement aux moteurs de type diesel, comme cest le cas par exemple de lhuile de colza. Il sagit dune essence destine des moteurs traditionnels fonctionnant se-lon un cycle thermodynamique Beau-de-Rochas. De ce fait la majeure partie du parc de vhicules existant est concern, de mme que tous les moteurs de petite cylindre tels que deux-roues, machines de jardin, etc.

    Le procd de fabrication de ce carburant est galement diffrent de celui qui consiste produire de ltanol comme par exemple au Brsil partir de la canne sucre ou en Europe pendant la guerre.

    Bio-essence ralise avec des dchets vgtaux

  • 24

    Biomobile.ch sur le circuit de Nogaro (France) en mai 2005

    Le projet Biomobile.ch a pour objectif la ralisation dune co-mobile dont la quantit de CO2 produite par kilomtre est la plus faible pos-sible.

  • 25

    PRISES DAIR POUR TRAINS RAPIDES

    Le cmefe dveloppe des prises dair pour des units de climatisation de trains grande vitesse. Un projet financ par la HES-SO, ainsi que des travaux de diplmes et de semestres ont t raliss.

    Il sagit de concevoir une prise dair frais qui permette dobtenir un coefficient de pression nul au point dentre. La pression en ce point est donc gale la pression atmosphrique et ne varie plus avec la vitesse du train. Lorsque de telles conditions sont atteintes, le dimen-sionnement de la puissance thermique de lunit de climatisation est optimale, car le dbit dair frais est alors lui aussi constant quelle que soit la vitesse du train.

    Ltude comporte des parties thorique, numrique et exprimentale. Ltablissement de critres de similitude des phnomnes physiques sont un aspect particulirement important du projet.

    Usinage dune des maquettes laide dune machine-outil cinq axes

  • 26

    Une des prises dair dveloppes

    Etude de lcoulement dans le voisinage dune unit de climatisation

  • 27

    CARMEN* - UN MODELE THERMIQUE DU RHONE

    Les objectifs du projet CARMEN sont de raliser un modle hydrau-lique et thermique du Rhne urbain laide dune approche CFD en volumes finis. Lexistence Genve dun modle de simulation du Rhne permettra dvaluer limpact des rejets thermiques provenant du rafraichissement.

    Un groupe de travail sur la thermique et la biologie du Rhne com-prenant le CUEPE (Centre Universitaire dEtude des Problmes de lEnergie de lUniversit de Genve), le Dpartement de lIntrieur, de lAgriculture et de lEnvironnement (DIAE), le Service Cantonal de lEnergie (SCanE) et le cmefe, a t cr en mai 2005.

    Du point de vue pdagogique ce projet est important. Au del de las-pect esthtique extraordinaire, il permet de sensibiliser nos tudiants aux consquences environnementales dun projet.

    * Cette belle qui parcourant la ville attisait toutes les convoitises.

    Le Rhne vu depuis le cmefe (Pont-Butin)

  • 28

    Dtails du fond au pont de la Machine

    Situations des rejets thermiques dans le Rhne urbain

  • 29

    Vitesse du fluide la surface du Rhne

    Distribution de la temprature et panaches

  • 30

    SIMULATION DES ECOULEMENTS DANS UNE EGLISE

    La simulation des coulements dans un btiment de taille importante ou prsentant des caractristiques particulires permet de dvelopper des concepts adapts de chauffage, de ventilation ou de climatisation ayant un minimum dimpact sur les aspects architecturaux.

    Le cmefe ralise la simulation dcoulements gnrs par convection naturelle ou provenant de sources forces.

    Ltude dune salle dopra a t ralise en 2004. Plus rcement, lEglise catholique romaine de Genve a confi au cmefe ltude des coulements dans lglise de Compesires. Ldifice datant de 1270 aurait t donn par lvque de Genve Aymon de Menthonnay lordre de Saint-Jean-de-Jrusalem, connu sous le nom dOrdre de Malte. LEglise a t agrandie en 1633, puis reconstruite en 1834 pour donner sa forme actuelle. Une rnovation et des fouilles archologi-ques sont actuellement en cours.

    Lglise et le chteau de Compesires (Genve)

  • 31

    Maillage laide de ttradres

    Modle gomtrique de lglise

  • 32

    Champ de vitesses dans le plan mdian de lglise

    Trajectoires des particules dair

  • 33

    Pour obtenir davantages dinformations sur les activits du cmefe nhsitez pas nous contacter :

    CMEFE - Groupe de comptences en mcanique des fluideset procds nergtiqueshepiaRue de la Prairie 4CH 1202 Genve

    Tlphone +41 22 54 62 660Tlcopieur +41 22 54 62 [email protected]

    ou consulter nos sites internet :

    http://www.cmefe.chhttp://www.hesge.ch/hepia