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Conception, fabrication et validation d'un capteur de direction instantanée d'écoulement

Schwaab, Quentin (2013). Conception, fabrication et validation d'un capteur de direction instantanée d'écoulement. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Un capteur de direction instantanée d’écoulement a été conçu et fabriqué au laboratoire de Thermo-Fluide pour le Transport (TFT) de l’ÉTS pour l’étude du décollement d’une couche limite turbulente.

Son architecture globale, basée sur celle du Thermal Tuft introduit par Eaton et al. (1979), est constituée de trois fils parallèles montés proche de la paroi, perpendiculairement à l’écoulement. Le fil central et chauffé par un courant électrique alors que les deux fils latéraux agissent comme des thermomètres. Le sillage chaud généré par le fil central augmente la résistance du fil qui est situé en aval. Ainsi la direction instantanée de l’écoulement peut être déterminée en comparant la résistance des deux fils latéraux. Pour ce faire, ces derniers sont montés dans un pont de Wheatstone et un circuit conditionneur permet de transposer la tension de déséquilibre du pont en un signal interprétable par une carte d’acquisition numérique (1 si l’écoulement va dans le sens principal, 0 sinon). Il est alors très facile de calculer la fraction de temps pendant laquelle l’écoulement est dirigée dans le sens aval (γ) ainsi que la fréquence d’intermittence (fc).

Le principe de fonctionnement du capteur a été validé dans un résonateur acoustique où un écoulement oscillant a été généré à une fréquence proche de 200Hz. Son comportement s’est montré en bonne adéquation avec le signal de la vitesse acoustique de référence. Ensuite, la validité du circuit conditionneur a été démontrée en simulant un écoulement à l’aide d’un pot vibrant fonctionnant à 20Hz. Un retard de courte durée a été mis en évidence entre le changement de signe de la tension aux bornes du pont de Wheatstone et la commutation effective de la tension de sortie du circuit. Néanmoins, ce retard n’a pas affecté la valeur de γ.

Enfin, le capteur a été utilisé dans la soufflerie à décollement de couche limite du TFT où une bulle de séparation est engendrée par d’un gradient de pression. Les distributions de γ et fc ont été obtenues au sein de la bulle et sont cohérentes avec une visualisation par film l’huile effectuée conjointement.

Résumé traduit

A Flow Direction Probe was designed and built at the Thermo-Fluids for Transport (TFT) laboratory of École de technologie supérieure to enable the study of instantaneous flow reversals in a turbulent separation bubble.

The probe’s general form is based on the thermal-tuft probe introduced by Eaton et al. (1979). It consists of three parallel wires (one central wire and two sensing wires placed on each side) mounted close to the test surface, perpendicular to the main flow direction. The middle wire is heated by an electric current which generates a heated wake. The heated wake increases the electrical resistance of the sensing wire that is placed downstream of the central wire. Therefore, the flow direction near the wall can be determined by comparing the resistances of the two sensing wires. For that purpose, the two sensing wires are mounted in a Wheatstone bridge and a signal conditioning circuitry, which is a simplification of the one proposed by Eaton et al. (1979), delivers an output voltage that is readable by a digital data acquisition system (1 if the flow moves downstream and 0 otherwise). Therefore, the fraction of time the flow moves downstream (γ) and the intermittent frequency (fc) can easily be computed.

The probe measurement’s principle has been evaluated in an acoustic resonator by generating an oscillating flow at about 200Hz . The probe was shown to be in good agreement with the acoustic reference velocity. Then, the signal conditioner performances have been tested by simulating an oscillating flow at 20Hz thanks to a mechanical shaker. A small delay has been highlighted between the sign change of the voltage across the bridge and the actual commutation of the output signal. However, this delay didn’t infer the value of γ.

Finally, the probe has been implemented in the TFT’s wind tunnel facility where a pressuredriven turbulent separation bubble had been created. The distributions of γ and fc have been measured below the test surface and were in accordance with oil film visualizations.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique". Bibliographie : pages 123-125.
Mots-clés libres: Capteurs Dynamique des fluides. Turbulence. Couche limite. bulle, décollement, écoulement, ÉTS, intermittence, recollement, séparation, TFT, Capteur de direction instantanée d’écoulement
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Weiss, Julien
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 12 nov. 2013 16:22
Dernière modification: 10 mars 2017 21:34
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1209

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