Campagne d’essais et compléments de validation

Introduction

Compte tenu de l’examen de diverses solutions, il a été choisi de réaliser la campagne d’essais expérimentaux dans le tunnel hydrodynamique du Bulgarian Ship Hydrodynamics Centre (BSHC), à Varna en Bulgarie, dans le cadre d’une collaboration. La spécification des essais a été réalisée au laboratoire. Le modèle numérique a été exploité pour guider différents choix tels que dimensions du montage, section de l’hydrofoil, etc.. Il a également été utilisé pour estimer et limiter les effets du confinement, ainsi que pour estimer les plages de nombre de cavitation exploitables et aider à la définition de la grille d’essais. Pour limiter les coûts, il a été retenu de travailler sur une configuration expérimentale de géométrie 3D simple : – hydrofoil d’envergure finie montée en parois de veine, – hydrofoil droite de section NACA0010 constante en envergure, – forme en plan rectangulaire d’allongement géométrique 3/2. L’hydrfoil étant monté en parois, son allongement effectif est le double de son allongement géométrique. Pour la validation quantitative du modèle de cavitation en 3D, il a été choisi de mesurer la portance et la traînée de l’hydrofoil en régime cavitant stationnaire, au moyen d’une balance. En parallèle, pour une comparaison plus qualitative des résultats expérimentaux et numériques, des photos numériques des poches de cavitation observées ont été prévues de façon systématique. Ensuite, de façon très synthétique : – la réalisation du montage a été confiée au BSHC, – la conduite des essais, le dépouillement des mesures et la réalisation de simulations de contrôle ont été menés en parallèle (en quinconce plutôt), en commun par l’équipe du laboratoire présente sur place et celle du BSHC, sur une durée d’une semaine, – les simulations finales des essais, le dépouillement complet des résultats expérimentaux et la comparaison définitive des deux, ont été réalisés a posteriori au laboratoire. Pour conclure cette introduction, la description précise et exhaustive de la campagne d’essais et des résultats expérimentaux a fait l’objet d’un rapport final rédigé par le BSHC et approuvé par le laboratoire (Dimitrov, 2008). Ce rapport est également joint en Annexe B.

Moyens expérimentaux 

Ce point présente l’ensemble des moyens mis en œuvre dans le cadre de la campagne d’essais de validation en 3D. 5.2.1 Tunnel hydrodynamique Le montage a été réalisé dans la veine d’essais N°1 du tunnel hydrodynamique du BSHC (voir les Figures 5.1, 5.2, 5.3). Les grandes caractéristiques de la veine sont : – veine de 2.6 m de longueur, – section carrée de 0.6 m de côté, – nombre de cavitation de 0.2 minimum, – vitesse de l’écoulement de 14 m/s maximum. Pour le dépouillement, la température de l’eau et la pression atmosphérique ont été systématiquement mesurées en début et en fin de chaque série d’essais, une série représentant environ 2 h 30 mn de travail. La vitesse de l’écoulement se règle au pupitre de commande via le variateur du moteur électrique de la pompe et la mesure du delta de pression amont / aval convergent. Cette mesure est réalisée visuellement par un manomètre à mercure et elle est également acquise au cours des essais via un capteur de pression pour en contrôler la stabilité. La pression en entrée de veine se règle via un compresseur ou une pompe à vide, une vanne manuelle et la mesure de la pression en entrée de veine. Cette mesure est réalisée visuellement par un manomètre à mercure ; si besoin elle peut-être régulée et maintenue stable manuellement via la vanne au cours d’un point de mesure et elle est également acquise au cours des essais via un capteur de pression pour en contrôler la stabilité. Les capteurs de pression sont des capteurs GE Druck, type PDCR 2110, gamme 700 mbar d. Les verniers sur les colonnes de mercure permettent une résolution théorique de 0.1 mm Hg. Après étalonnage, les biais systématiques limites en vitesse et en pression utiles au calcul d’erreur sont respectivement estimés à 0.169 m/s et 203 Pa (ITTC (1999a), ITTC (1999b), ITTC (2001)).

Montage expérimental et instrumentation 

La géométrie globale du montage à l’intérieur de la veine est présentée Figure 5.4. L’hydrofoil est monté verticalement en parois sous le plafond de la veine. Un sabot fixe à 0° d’incidence par rapport à l’écoulement amont, de section identique à celle de l’hydrofoil, a été ajouté pour placer ce dernier hors couche limite de paroi tunnel. L’hydrofoil est pourvu de repères permettant d’estimer les longueurs de poches d’abord qualitativement à l’œil, puis plus quantitativement sur les prises de vues. L’hydrofoil et le sabot ont été usinés sur une fraiseuse numérique 5 axes avec les tolérances recommandées par l’ITTC pour la géométrie et l’état de surface final.La balance et le système de réglage de l’angle d’incidence sont en eau dans un caisson étanche situé sur le plafond de veine (voir les Figures 5.5, 5.6).L’hydrofoil est lié à ces deux systèmes par un axe qui traverse librement le sabot avec un certain jeu fonctionnel. Ce jeu permet de rester libre compte-tenu des déformations de la balance sous chargement et de ne bien mesurer que la portance et la trainée de l’hydrofoil seul. Les capteurs de force sont situés dans des boîtiers étanches (Figure 5.6), eux-mêmes montés sur la balance.La balance est une balance six composantes « Kempf & Remmers ». Ici seules deux composantes de force ont été mesurées (portance L et trainée D), ce qui a nécessité l’utilisation de trois capteurs (X1, X2, X3) pour la mesure de traînée et un (Y ) pour la mesure de portance (Figure 5.7). La balance a d’abord été étalonnée sur banc spécifique du constructeur juste avant la campagne d’essais. Comme expliqué à la Section 5.4, le montage a dû être repris à environ mi-campagne. A cette occasion, un second étalonnage balance a été réalisé prenant en compte l’ensemble du montage cette fois ci (balance, plafond de veine, sabot et hydrofoil). Après étalonnage, les biais systématiques limites en efforts utiles au calcul d’erreur sont respectivement estimés à 1.27 N pour la portance et 1.99 N pour la trainée. La précision du réglage de l’angle d’incidence a été estimée à 0.2° initialement. A posteriori, à partir des mesures en régime subcavitant, réalisées en incidences positive et négative, il a été possible de recaler l’incidence au moins partiellement, aux erreurs de mesure de forces près (sous les hypothèses raisonnables ici d’une portance linéaire en angle et d’une section effectivement symétrique). L’expérience montre que les valeurs d’incidence recalées sont cohérentes avec cette précision : typiquement 7.22° recalé pour 7.00° réglé. Au final ce sont les valeurs d’incidences recalées qui ont été utilisées comme données d’entrée dans les simulations. 

Chaîne d’acquisition des mesures et dépouillement statistique

La chaîne d’acquisition des mesures balance et pression est restée identique au cours de la campagne et a été utilisée à la fois pour les étalonnages et les points de mesures (Figures 5.8 et 5.9). Figure 5.8. Photo des amplificateurs des capteurs de force Les amplificateurs des capteurs de force sont des amplificateurs HBM GmbH PME – MP55 (Figure 5.8). L’acquisition de tous les capteurs est réalisée de façon simultanée, sans filtrage particulier, par une centrale National Instrument pilotée au moyen d’un programme d’acquisition développé par le BSHC sous LabView.Ce programme d’acquisition permet la visualisation des signaux acquis et le calcul des valeurs moyennes et RMS. Ces valeurs sont systématiquement utilisées avec les relations d’étalonnage pour un contrôle manuel rapide sous EXCEL de la cohérence de chaque point de mesure avec des estimations analytiques et des estimations réalisées avec le modèle numérique. Les fichiers de données acquis (signaux temporels, valeurs moyennes, date, heure, etc.), et la nomenclature systématique associée sont décrits dans le rapport d’essais (Dimitrov, 2008) et les disques de mesures joints. Suite à la campagne d’essais, les fichiers acquis ont été traités statistiquement selon la procédure recommandée par l’ITTC (ITTC, 1999a) par un programme de traitement développé par le BSHC. En particulier, pour chaque point de la grille d’essais, les résultats finaux en portance et en traînée sont obtenus sous la forme d’une valeur et d’un intervalle de confiance à 95% autour de cette valeur. Tous calculs faits, pour les résultats expérimentaux présentés dans ce chapitre, les valeurs « vraies » ont une probabilité de 95% d’être dans les intervalles d’erreur autour des valeurs « calculées » suivants : – (+) ou (-) 5.6% de la valeur « calculée » pour le coefficient de portance CL, – (+) ou (-) 9.2% de la valeur « calculée » pour le coefficient de trainée CD. Pour rester conservatif, ces intervalles correspondent aux intervalles maximaux calculés sur l’ensemble de la grille d’essais.