2.2.1 Technique des prises de pression pariétales
Le choix de l’utilisation des prises de pression à la place d’autres techniques de mesures utilisées en soufflerie comme la PIV (Particle Image Velocimetry) réside premièrement dans le caractère instationnaire du phénomène (bistable) du galop sec qui limite l’utilisation de cette technique. Cependant, une uti-lisation d’une PIV résolue en temps pourrait répondre à nos attentes, cette technologie étant récente et très couteuse. La PIV fait encore face à une autre contrainte, cette fois ci spatiale. Elle permet une sélection spatiale limitée, une fenêtre de quelques centimètres alors que notre objectif est de s’intéresser à la corrélation spatiale du comportement aérodynamique le long du hauban, d’où l’utilisation d’une instrumentation sur un maximum de surface possible avec une discrétisation la plus fine en prises de pression. Il faut également rappeler que la technique des prises de pression en surface est la plus utili-sée dans ce domaine de recherche, comme le CNRC au Canada de 2003 à ce jour ou autres équipes à l’international. La technique des prises de pression pariétales consiste à percer des trous d’un diamètre de 0.8mm en surface de la gaine dans lesquels on insère un tube de diamètre extérieur égal à 0.8mm et de diamètre intérieur de 0.3mm qui affleurent à la surface. Ces trous doivent être réalisés avec une grande délicatesse afin d’éviter tout endommagement de la surface. On utilise généralement des prises en cuivre d’une longueur de 20mm. L’information en surface est acheminée par un tube pneumatique (tube vinyl) vers un capteur de pression piézorésistif, sous forme d’un boitier compact qui transforme le signal physique en signal électrique. On appelle ces capteurs les scanners de pression, la marque commerciale des capteurs est PSI (voir figure
FIGURE 2.2 Un élément du scanner de pression PSI
(a) Tubes pneumatiques à l’intérieur
d’une gaine PEHD (b) Restricteur
FIGURE 2.3 Instrumentation en tubes pneumatiques
(2.2)). Chaque boitier du scanner de pression renferme 32 capteurs de pres-sion différentielle indépendants de gamme de mesure 0-2500Pa. La précipres-sion fournie par le constructeur est de 2500Pa±2%, mais utiliser une alimentation électrique très stable (comme dans notre cas) permet de réduire cet écart à une erreur de mesure très inférieure. Les mesures réalisées par les techniciens du CSTB sur le système de mesure complet, incluant la partie numérisation des valeurs, a montré que dans tous les cas l’enveloppe du bruit de mesure ne dé-passait pas ±2.2 Pa. Le scanner PSI est relié à une carte d’acquisition avec une fréquence de balayage de l’ordre de 20kHz. Enfin, le signal numérique en sortie de la carte, qui est reliée directement à un ordinateur, est enregistré à une cadence de 200Hz. Avec ce rapport de 100 entre la fréquence de balayage des voies de mesure et la fréquence d’acquisition on s’assure d’une acquisition pseudo-synchrone
Les liaisons pneumatiques (c. f. figure (2.3a)) entre la prise de pression pariétale et le scanner de pression sont composées de trois parties, un tube vinyl d’une longueur précise de 65cm suivi d’un restricteur (c. f. figure (2.3b)
FIGURE2.4 Fonction de transfert de la liaison pneumatique. 0 10 20 30 40 50 60 70 −1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 Temps (s)
Coeff. de portance Instantannée
(a) Coefficient de portance instantané,
D=200mm, V=10m/s 0 20 40 60 80 100 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Frequence (Hz) FFT (b) Transfomée de Fourier
FIGURE2.5 Analyse fréquentielle du signal brut en régime sub-critique. ayant un rôle de perte de charge, puis d’un tube vinyl de 15cm. Cette liaison pneumatique, étalonnée en injectant à son extrémité un bruit blanc avec un haut-parleur étalonné faisant osciller le volume d’une cavité fermée, joue le rôle de filtre passe bas avec une fréquence de coupure à 100 Hz. La figure (2.4) illustre la fonction de transfert de cette liaison pneumatique.
L’atténuation du signal à partir d’une fréquence supérieure à 100Hz est de
−40dB/dec. Cette atténuation du signal assurée par le filtre passe bas
méca-nique (tube pneumatique + restricteur) évite le repliement du spectre comme l’illustre la transformée de Fourier sur un signal de portance instantané enre-gistré autour d’une couronne de pression d’une gaine lisse de diamètre D=200 pour une vitesse de vent de 10m/s. La figure(2.5a) illustre le signal brut après intégration (voir pour le calcul des coefficients aérodynamiques 4.2) et la figure figure(2.5b) décrit les fréquences dominantes comprises entre 0 et 100Hz. La
transformée de Fourier détecte un pic autour de 10Hz, cette fréquence cor-respond à la fréquence du détachement tourbillonnaire pour un nombre de Strouhal égal à 0.2.
2.2.2 Instrumentation des maquettes en soufflerie
Pour tous les essais en soufflerie, un maximum de prises de pression a été envisagé. Chacune de nos maquettes contient 288 prises de pression disper-sées sur 9 couronnes dont chacune dispose de 32 prises. L’angle qui sépare une
prise de pression de sa voisine est de 11.25◦, soit une distance entre deux prises
adjacentes de 13.7mm pour un diamètre de 140mm, 19.6mm pour D = 200mm, 24.5mm pour D = 250mm et enfin 34.8mm pour un diamètre de 355mm. La dis-tribution spatiale des couronnes le long de la maquette n’est pas équidistante. La distance qui sépare les couronnes entre elles se réduit des extrémités vers le centre de la portion instrumentée. La figure (2.6) illustre la distribution des couronnes de pression numérotées de 1 à 9. L’écart maximal entre deux cou-ronnes de pression est de 20cm, tandis que la distance minimale est réduite à 5cm, elle concerne uniquement les couronnes centrales. Pour les besoins de la thèse, nos maquettes seront composés de trois parties. La portion centrale instrumentée avec les 288 prises de pression sur une longueur de 1.20m, la distance entre la première est la dernière couronne est de 1m. Cette partie est disposée à un mouvement de rotation sur l’axe longitudinal de la gaine. Les deux autres parties sont des portions de fixations au plafond et sur le sol, leur longueur est de 0.4m chacune. Les deux portions sont démontables et placées de part et d’autre de la portion centrale (c.f. figure (2.7)) ce qui nous donne au total une maquette de 2m. Ces deux portions de fixation seront attachées et collées sur deux planches planes en bois et vissées au sol et au plafond pour éviter toute influence des extrémités sur le comportement aérodynamique des maquettes. La fréquence d’acquisition de nos 288 voies de pression synchrone du système est de 200Hz.
En fonction du diamètre des gaines de haubans à tester en soufflerie, les vitesses de vent peuvent être supérieures à 25m/s. Par conséquent il est in-dispensable de rigidifier les maquettes afin d’éviter toute vibration. Pour cela, deux embouts de forme circulaire sont insérés entre la portion centrale et les deux portions de fixation. D’un diamètre extérieur adapté en fonction du dia-mètre intérieur de la gaine, chaque embout est de longueur de 20cm. Ils sont composés d’un tube métallique couvert de résine (voir figure (2.7) de droite). La présence en surface de cette résine qui réduit le coefficient de frottement entre les deux parties, permet aussi de procéder à la rotation de la partie centrale
FIGURE 2.6 Distribution des couronnes de pression sans difficulté majeure.
FIGURE2.7 (Gauche) Composition d’une maquette en soufflerie. (Droite) Embout inséré à l’extrémité de la partie instrumentée sur une gaine de
diamètre D = 250mm