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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

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Sommaire

• Introduction

• Les actionneurs

• Le banc

• Procédures de calibrations

• Quelques résultats

• Conclusions

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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 ?

• Une manipulation locale de l’écoulement pour générer un bénéfice global du système

aérodynamique, d’une manière voulue et contrôlée.

• 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 ?

• 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

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Les actionneurs (1/2)

Cattafesta and Sheplak, Actuators for active flow

control, Annu. Rev. Fluid Mech. 2011. 43:247-72

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)

Classification des actionneurs pour le contrôle des écoulements par typologie

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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

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Le banc

Plateforme

pour petits

actionneurs

Traverses 3-axes

pas-à-pas

Support pour

maquettes équipées

d’actionneurs

• Conception et fabrication d’un banc d’essai multifonctions dédié à la

caractérisation d’actionneurs fluidiques Ecran de contrôle de

la caméra pour

localiser la sonde Système de traverse 3-

axes pour les sondages

Support de sonde

avec montage d’une

caméra macro

Très haute

précision sur la

position de la

sonde (fentes <

0.5 mm)

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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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

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Fréquence (Hz)

Vit

ess

e f

il c

ha

ud

(m

/s)

Vitesse Gain 3

Vitesse Gain 4

Vitesse Gain 5

Vitesse Gain 6

Restitution de l'homognéité en envergure pour 10 Hz et 70 Hz, Gain 4

0

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300 400 500 600

Position X (mm)

Vit

esse m

ax.

fil

ch

au

d (

m/s

)

Vit Fil 10 Hz / Valfitmax1

Vit Fil 70 Hz / Valfitmax1

Restitution temporelle à 10 Hz pour un gain de 4

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Temps (s)

Vit

esse f

il c

hau

d (

m/s

)

GdrXmilG4/Car_X340_10hz_50%/VitFil(dyn)

(m/s)

GdrXmilG4/Car_X340_10hz_50%/VitFil(flt) (m/s)

GdrXmilG4/Car_X340_10hz_50%/ExitNI(dyn) (V)

GdrXmilG4/Car_X340_10hz_50%/ExitAmpli(dyn)

(V)

GdrXmilG4/Car_X340_10hz_50%/VitFurness(dy

n) (m/s)

Comparaison des profils de vitesse adimensionnée pour 10 Hz et 70 Hz - Xmil=285mm - Gain 4

Fil chaud à environ 1 mm de l'orifice

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

-0,5 0 0,5 1 1,5

Abssisse X (mm)

Vit

Max.

ad

imen

sio

nn

ée f

il c

hau

d f

iltr

é

V adim 10 Hz

V adim 70 Hz

10

Quelques résultats (2/6)

• 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

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Quelques résultats (3/6)

• Caractérisation de jets synthétiques (2/2)

• Vitesse au centre (faisant varier Freq. et Volt.)

• Profil de vitesse le long de la fente (faisant varier Freq. et Volt.)

Moyenne de

phase sur une

période

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Quelques résultats (4/6)

• Caractérisation de l’homogénéité d’actionneurs continus ou pulsés

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Quelques résultats (5/6)

• Mesure par fil chaud de l’homogénéité de la vitesse au voisinage d’un orifice

• Vitesse = max(moyenne temporelle sur 2s) ; largeur fente = 0.1mm

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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

• 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

Equipment Actuator type ► Pulsed Synthetic

Hot wire anemometry

fmax>40kHz

Jet exit size►

Measured data ▼

Lower than

2 mm

Longer

than 2 mm

Lower than

2 mm

Longer

than 2 mm

Classical calibration Instantaneous velocity,

subsonic

no yes no yes

In-situ calibration, from

upstream total pressure and

density

Max. instantaneous

velocity, subsonic

yes No interest Substitution

tip with air

supply

No interest

In-situ calibration, from mass

flow meter and density

In-situ calibration, from airtight

bell

Mean mass flow, subsonic

and supersonic

yes yes homogeneity homogeneity

Optical metrology

LDV, max. frequency

depending on the seeding

quality

Instantaneous velocity of

particles

yes yes yes yes

PIV, fixed frequency 2D maps of instantaneous

velocities

Depend on

spatial

resolution

yes Depend on

spatial

resolution

yes

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