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DAFE - Aérodynamique fondamentale et expérimentale

PSP & TSP

La PSP (Pressure Sensitive Paint) est une technique de mesure de la pression largement utilisée en soufflerie en conditions stabilisées. La peinture contient un composé luminescent dont l’émission est inhibée par l’oxygène de l’air. L’intensité de luminescence dépend ainsi de la pression car la concentration de l’oxygène dans l’air est une constante. On exploite aussi la sensibilité à la température de la luminescence dans le cas de la TSP (Temperature Sensitive Paint) pour obtenir des cartographies thermiques. Les activités sur les peintures luminescentes sont menées depuis près de vingt ans au DAFE. Elles portent sur les sujets suivants :

  • la réduction de la sensibilité à la température (PSP),
  • la pérennité de la synthèse du dérivé de pyrène utilisé dans la formulation de la PSP stationnaire,
  • la dégradation de la réponse luminescente en cours d’essai,
  • l’instrumentation pour la mise en œuvre en soufflerie,
  • les mesures instationnaires PSP (uPSP).

 

Instrumentation pour la mise en œuvre en soufflerie

Dans le cadre d’une campagne d’essai pour AIRBUS, des mesures par TSP ont été réalisées dans la soufflerie S3Ch en 2011. Il s’agissait de mesurer la cartographie thermique sur le mât d’une nacelle d’A320 et d’étudier l’effet de différentes formes de mât sur la thermique à proximité de la sortie de jet. Les mesures ont été réalisées sur les trois faces du mât : intrados, extrados et semelle (vue de dessous) au moyen de trois ensembles d’acquisition lampe-caméra. Pour remédier à l’absence d’accès optique pour la vue de dessous, le DAFE a développé un principe de mesures endoscopiques. Un endoscope, relié à la caméra PSP et traversant le plancher de la veine S3Ch, est flanqué de deux accès aménagés pour l’illumination par fibres optiques. Cela est illustré ci-dessous.

PSP Instationnaire

Depuis 2003, le développement de la PSP instationnaire (uPSP pour Unsteady Pressure Sensitive Paint) est une part importante de l’activité de l’unité MTRO. En effet, cette technique suscite un intérêt croissant de la part des clients de l’Onera et un axe de recherche prioritaire a été fixé par les grands Moyens d’Essai de l’Onera (GMT) en 2009 pour porter la PSP instationnaire en soufflerie industrielle (Carnot QUESTE). Le développement de la uPSP implique différents aspects : la peinture, l’instrumentation et le logiciel de traitement. La PSP conventionnelle a un temps de réponse de l’ordre de 1s, qui correspond au temps caractéristique de la diffusion de l’oxygène dans la couche de peinture. Le DAFE a mis au point un revêtement d’aluminium anodisé qui permet de déposer le luminophore à la surface de la maquette, donc au contact direct avec l’oxygène. Le temps de réponse est alors très faible, de l’ordre de  quelques dizaines de μs. Cependant, une contrainte majeure de la uPSP anodisée est l’obligation d’utiliser de l’aluminium comme matériau maquette. Un des objectifs du projet QUESTE est la recherche d’une uPSP compatible avec tout type de support. Cette compétence dépasse le cadre de l’Onera et un contrat a été passé avec un laboratoire spécialisé pour la mise au point d’un revêtement nanoporeux applicable au pistolet à peinture. La contribution du DAFE consiste à caractériser les couches nanoporeuses au regard de la sensibilité à la pression et à la température, et d’évaluer leur potentiel en tant que uPSP (uniformité, dégradation, intensité de luminescence).

Parallèlement, un essai de faisabilité de l’utilisation de la PSP anodisée a été réalisé dans la soufflerie à caractère industriel S2MA, en janvier 2012, et appliqué à une étude de battement de choc sur un avion civil. Un insert en alliage d’aluminium a été usiné sur la voilure droite d’une maquette existante du Falcon F7X à l’échelle 1/21 (Dassault Aviation). Les essais ont été réalisés à M=0.85 à différentes incidences entre 0 et 4°. L’excitation de la peinture est réalisée au moyen de trois lampes UV couplées à des fibres optiques et l’acquisition des images est réalisée au moyen d’une caméra rapide (Phantom V12.1), 12 bits à la cadence de 250 et 1000 images par seconde. Chaque film est constitué de 9000 images dont le dépouillement nécessite l’emploi d’un outil adapté au traitement d’un grand nombre de données. Pour cela, il a été nécessaire de développer un logiciel robuste et ultra-rapide, à base de GPU (voir plus bas). Ainsi, le traitement 3D complet d’un film est de 10mn. On peut ainsi carographier les moyennes, comme sur la figure ci-dessous (gauche), les écart-types, ainsi que les images de densité spectrale, comme montré aussi ci-dessous (droite).

Ces dernières informations (DSP) sont très riches. Sur l’exemple ci-dessus, elle montre une énergie importante au niveau du choc principal et met en évidence la présence d’un deuxième choc en aval, révélant d’une structure de choc en lambda. Le choc principal se déplace vers l’aval quand l’incidence augmente, alors que ce choc est stable et s’atténue pour disparaitre au-delà de 1°. Ce comportement n’a pas pu être détecté par les capteurs ponctuels conventionnels placés sur la voilure gauche de la maquette. Rappelons que de tels résultats, accessibles sur des durées compatibles avec le mode de focntionnement industriel des grandes souffleries, sont rendus possibles par les performances du logiciel fonctionnant sur GPU développé par le DAFE.

Un autre essai a été mené dans le cadre d’un programme européen FUTURE (2008-2013) consacré à l’étude du flottement dans les turbomachines et la validation des codes de calcul. Des mesures ont été réalisées sur un banc turbine constitué d’une cascade de 5 aubes, pour lequel l’aube centrale est excitée suivant différents modes, à une fréquence connue. La difficulté de cet essai est liée d’une part à un accès optique contraint, et d’autre part à la disponibilité de sources lumineuses suffisamment intenses pour faire des acquisitions à haute cadence (1500Hz). Par ailleurs, les aubes se déforment ce qui induit un déplacement dans le champ d’excitation. Pour compenser cela, une aube de  référence insensible à la pression a été utilisée dans les mêmes conditions d’essai. La figure ci-dessous présente une image en Cp révélant une zone de recirculation an aval du choc principal, entre 0,6 et 0,7 de corde. Ce phénomène n’a pas été détecté par les calculs CFD, mais a été confirmé ultérieurement par des visualisations par enduit visqueux.

Références

 
Mérienne et al. Transient Pressure-Sensitive-Paint Investigation in a Nozzle, AIAA Journal, Vol 50, No. 7, July 2012

 
Mérienne et al., Transonic Buffeting Investigation using Unsteady Pressure Sensitive-Paint in a Large Wind Tunnel, 51st AIAA Aerospace Sciences Meeting, 7-10 Januray ; Grapevine, Texas, 2013.

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