Novembre 2012 - Montagne et Circuit de refroidissement Partie 1

10 Novembre:
Mercredi dernier était une journée magnifique toute consacrée, une nouvelle fois, à la montagne.

 On a du mal à prendre la décision de "grounder" l'avion pour les travaux. Du coup on raconte un peu notre vie, mais c'est comme ça.

 Le plan foireux mis au point a, encore une fois, particulièrement bien fonctionné avec un rencard à Clamensane dans la matinée avec Jean Claude et son SkyRanger.

 Les jours de beau temps commençant à se faire rares, des nuées d'avions s'abattent sur les altisurfaces quand les conditions sont enfin réunies, et nous n'avons pas tardé à être rejoint par quelques-uns.

 Le Marsupilami MJ,superbe Rallye est basé comme nous à Cannes et son proprio participe (encore comme nous) régulièrement aux envolées de Jean Claude Ramon en Mai.

Arrivée de l'oncle Jean Claude.
Quand je dis qu'il faisait beau!

Magnifique PA18 aux couleurs de l'Armée française qui servit pendant la guerre d'Algérie.
Je suis pas sûr que la pinup soit d'époque.
90 cv sous le capot, c'est comme pour nous, y a pas de trop!








Là c'est nous, j'aime bien cette vue 3/4 arrière.








 Donc l'activité bricolage est plutôt calme en ce moment.

 Dossier refroidissement moteur:
 Je prépare de mon côté un dossier sur le refroidissement moteur, encore un, où j'essaye de faire un sujet de vulgarisation à destination du constructeur amateur, pour donner des connaissances, mais surtout un feeling de la chose et un guide des bonnes pratiques.
 Au passage, je fais la peau à quelques idées reçues, mais surtout j'essaye de donner des réponses aux constructeurs confrontés à des problèmes de refroidissement ou de trainée excessive du circuit et je sais qu'ils ne sont pas si rares.
 Je suis complètement autodidacte en ce domaine mais j'ai particulièrement fouillé le sujet, les archives du NACA et différentes publications qui m'ont permis d'opérer cette modeste synthèse.
 Je compte bien mettre tout cela en application sur le SPEEDJOJO prochainement.
 Le dossier est un peu long, alors je le publierai en plusieurs parties, une tous les mois, ce qui permettra aussi de formaliser un rendez-vous chaque mois sur un sujet technique.

 Pour l'instant c'est entre les mains du comité de relecture, chez les ingénieurs maison.

15 Novembre:
 Hier a encore une fois été entièrement dédié à la montagne. L'arrière saison n'en finit pas de proposer des météos splendides. Il faisait encore 20° à Cannes quand nous sommes rentrés juste avant le coucher du soleil.
 Les journées sont bien plus courtes qu'en été mais l'aérologie plus calme de l'automne permet de les rentabiliser pleinement jusqu'en soirée. La difficulté que l'on peut rencontrer alors, pour certaines altisurfaces qui sont orientées face au soleil couchant, c'est un problème de visibilité comme hier à Clamensane vers 16 heures, c'était un peu limite.

 Partout la neige a bien fondu, Super Dévoluy et Valberg visité au retour sont absolument exempts de neige.

Ci-contre, la piste à Giraud.

 Pendant que nous faisions le plein à notre retour nous avons assisté au spectacle grandiose d'un Sea Fury (basé à Cannes en ce moment) partant pour sa ballade du soir. Il rugit littéralement.










16 Novembre:
Publication du premier volet consacré au fonctionnement d'un circuit de refroidissement moteur. Le dossier complet sera disponible en PDF quand toutes les parties auront été publiées dans les pages Articles du blog.


DOSSIER TECHNIQUE

L'aérodynamique d'un tuyau ou comment fonctionne un circuit de refroidissement. PARTIE 1

1-Rappels succincts de mécanique des fluides non compressibles, la loi de Bernoulli :

Il ne m'a pas semblé utile de reprendre moi-même ce chapitre, je reproduis donc un extrait de l'excellente publication « Trainée 1 » D'Hunsinger et Offerlin téléchargeable sur le site inter.action.free.fr/

Extrait :

Nous occupant essentiellement d'aéronautique légère, nous ferons donc, comme énoncé précédemment, l'hypothèse que l'air ambiant est un fluide incompressible, au même titre qu'un liquide. Cette hypothèse est pleinement justifiée, vu le nombre de Mach auquel nos avions ont pris l'habitude de voler (Mach 0,13 pour l'ATL).

Si l'on accepte l'adage selon lequel "la nature a horreur du vide", il convient encore de remarquer qu'elle a tout aussi horreur des discontinuités, ce qui s'exprime par les équations de continuité et de conservation. La première loi qui va nous intéresser ici, concerne les écoulements et stipule que le long d'un tube de courant la pression totale Pt (somme de la pression statique et de la pression dynamique), le débit Q et l'énergie totale E restent constants.

C'est la loi de Bernoulli.

Pt = Cte

Q = Cte

E = Cte

Ce tube de courant peut être réel, sous forme de conduit dont la section peut varier. Il peut aussi être fictif ; c'est alors une zone de section fictive perpendiculaire à l’écoulement, et à travers de laquelle passe un même débit. Le tube de courant est constitué par des "lignes de courant " que matérialisent les "filets d'air". Il est évident que ce qui entre dans le tube, en sort également. Ni plus, ni moins. En effet, à l'intérieur du tube, il n'y a ni production, ni destruction, ni accumulation.

Fig. 1 : Le tube de courant.

Cette évidence se traduit par

la relation :

Q1 = V1S1

Q2 = V2S2

En conséquence :

V1S1 = V2S2

En clair, cela signifie que si la section du tube décroît, la vitesse des filets d'air doit alors nécessairement croître, ou encore que le rapport des vitesses d'entrée et de sortie est égal au rapport inverse des sections.

Exemple d'application de ce principe :

 

Sachant que, pour un corps solide, l'énergie cinétique est égale à :

E = ½M V²

Pour l'air, il suffit de remplacer la masse M par la masse volumique pour obtenir l'équation de l'énergie cinétique par unité de volume ou pression dynamique q.

q = ½ ρ V²

Au niveau de la mer, la masse volumique de l’air est de 1.225 kg/m3.

Puisque la pression totale Pt est la somme des pressions statique Ps et dynamique q, et que cette valeur est constante tout au long du tube de courant, on peut donc écrire l'équation énergétique :

Ps1 + ½ ρ V1² = Ps2 +½ ρ V2²

Le débit Q étant invariant, on peut alors écrire :

Ps1-Ps2=½ρ V1² [(S1/S2)²-1]

On peut aisément mesurer les pressions statiques. On peut en déduire la vitesse V1 :

V1=√{2.(Ps1-Ps2)/ρ.[(S1/S2)²-1]}

Le terme ρ, qui est la masse spécifique de l'air, varie avec l'altitude. Il convient donc de faire la relation entre la vitesse indiquée Vi et la vitesse vraie V :

V=Vi/√(ρ/ρ0)

Avec

ρ0 = Masse Spécifique de l’air au niveau de la mer.

ρ = Masse spécifique à l’altitude considérée.

N'oublions pas que la loi de Bernoulli s'applique strictement dans un monde parfait, sans frottement et dans un système adiabatique sans transmission de chaleur à la peau du tuyau.

Ce rappel étant fait, nous sommes maintenant bien armés pour convertir les pressions statiques en vitesses et vice-versa au gré des variations de section dans un tuyau.

Mais qu'en est-il des frontières avec le monde extérieur, j'ai parlé de l'entrée et de la sortie de notre tuyau ? L'entrée influence-t-elle en amont la veine d'air qui vient vers elle ? La sortie influence-t-elle l'écoulement en aval au-delà de sa section ?

Pour bien comprendre cette mécanique il faut décrire les forces en jeu.

2-Forces en jeu dans une veine d'air :

2.1-Inertie et viscosité. Nombres de Reynolds :

Il y a 2 types de forces qui s'opposent au mouvement ou à ses modifications dans une veine fluide, les forces de viscosité et les forces d'inertie. Le nombre de Reynolds est le rapport des forces d'inertie aux forces de viscosité.

Les forces de viscosité sont celles qui font que le fluide « colle » aux objets qui baignent à l'intérieur. Les filets d'air s’entraînent entre eux également par efforts tangentiels.

Les forces d'inertie sont celles qui sont liées à la masse du fluide, chaque changement de trajectoire, ralentissement ou accélération du fluide donne naissance à ces forces.

Le nombre de Reynolds augmente avec la vitesse et la taille des objets placés dans le fluide, ce qui veut dire qu'à partir d'un certain nombre de Reynolds (facteur d'échelle), les forces d'inertie deviennent prépondérantes sur les forces de viscosité et les molécules de gaz ont une plus grande tendance à poursuivre leur trajectoire par inertie et sont moins influencées par les efforts tangentiels entre filets d'air. L'air « colle » moins.

Ces dernières conditions sont justement celles qui nous concernent quand on parle d'un circuit de refroidissement pour avion léger, à l’exception du radiateur lui-même où la grande surface d'échange est le lieu principal d'exercice de forces de viscosité.

2.2-Gradient de pression statique :

Considérons un petit volume cubique d’arête da pris dans une veine fluide. Un observateur (du genre démon de Maxwell) qui se déplacerait avec lui ne pourrait par définition mesurer que la pression statique Ps. Il conclurait que chacune des faces du cube est soumise à une force Ps da² dirigée vers l’intérieur dudit cube et perpendiculaire à la face considérée. On vérifie aisément que si Ps est uniforme ces forces s’annulent deux à deux si bien que la résultante est nulle. Le cube n’étant soumis à aucune force est alors soit immobile soit animé d’un mouvement uniforme, Pour qu’il soit accéléré c’est à dire subisse une modification de sa vitesse en module et/ou en direction, il doit être soumis à une force extérieure. Il faut donc que la résultante des forces de pression statique qui s’exercent sur chacune de ses faces ne soit pas nulle. On comprend que cette condition implique que la pression statique ne soit pas uniforme. On parle alors de gradient de pression, une situation que nous rencontrerons dans la suite.

Remarque : c’est en explicitant l’équilibre entre la force due au gradient de pression statique et la force d’inertie s’exerçant sur un cube élémentaire que l’on démontre la loi de Bernoulli.

3-Le tuyau comme circuit de refroidissement ;

3.1-Exemple :

Si dans un premier temps on considère un tuyau qui se déplace face au vent relatif et qu'il n'existe pas de résistance interne au tuyau (comme un radiateur par exemple), le large filet d'air cylindrique et de diamètre égal à celui de l'entrée se prolongeant jusqu'à l'infini va traverser le tuyau comme s'il n'existait pas (aux pertes de frottement près). La puissance prélevée au fluide est presque nulle.

Introduisons maintenant un radiateur à la sortie du tuyau. Il est facile de voir que la vitesse dans le tuyau va ralentir à cause de la résistance ainsi introduite. Dans mon exemple, le tuyau a une section constante, par conséquent la vitesse V et la pression dynamique q = ½ ρ V² sont les mêmes de l'entrée du tuyau jusqu'à la sortie du radiateur.

La différence de pression delta P qui existe entre chaque coté du radiateur, qui est nécessaire pour y faire traverser l'air, est créée par le ralentissement de la veine d'air amont qui convertit ainsi une partie de son énergie cinétique en énergie de pression.

Ce ralentissement ne peut avoir lieu qu'en amont du tuyau, en extérieur à travers un divergent naturel. L'énergie de pression est ensuite utilisée pour vaincre la résistance du radiateur et est perdue en frottements.

Dans cet exemple, on ne peut pas contrôler le débit Q autrement qu'en changeant la vitesse Vo du tuyau ou de l'air qu'on envoie sur son entrée .

Je rappelle par ailleurs qu'aux vitesses qui nous intéressent, l'air est considéré comme incompressible, c'est à dire qu'à température constante, les molécules de gaz conservent le même espacement moyen entre elles, même si la pression statique change (en fait cet espacement change, mais si faiblement qu'on considère ρ = cte). L'air à ces vitesses se comporte donc comme un fluide liquide.

Pse:pression statique entrée

Po:pression statique extérieure

Remarque 1 : Le régime d’écoulement dans le radiateur est différent de celui du tuyau, les forces de viscosité y sont dominantes. Elles conduisent à une relation simple entre le débit Q et la différence de pression DP entre amont et aval, différence qui se ramène à celle des pressions statiques puisque les vitesse sont les mêmes en amont et en aval du radiateur. On définit la résistance R par

DP=R.Q

Remarque 2 : l’hypothèse d’incompressibilité est justifié par l’argument suivant : la masse volumique ρ ne dépend que de la pression statique selon la relation Deltaρ/_ρ0 = Ca.DeltaP où ρ₀ est la masse volumique standard, DeltaP la variation de pression par rapport à la pression standard et Ca la compressibilité (adiabatique) du gaz . Or dans un écoulement à la vitesse V au voisinage d’un obstacle la variation maximum de pression statique ne peut être supérieure à 1/2ρV² d’où Deltaρ/ρ₀ ≤ Ca.1/2ρV². Mais par ailleurs la vitesse c du son dans le gaz considéré est donné par c = (1/Ca.ρ)^1/2 , d’où Ca = 1/ ρ c², et en définitive

Deltaρ/ρ₀ = ½ V²/c² = ½ M² où le nombre M dit de Mach, est égal à V/c.

On voit que si M<<1, les variations relatives de densité deviennent négligeables.

Remarque 3 :Pression totale = pression statique + pression dynamique ;

Comment s'exercent les pressions statiques Ps et dynamiques q dans un fluide en mouvement ?

La pression statique en un point d'un filet d'air s'exerce dans toutes les directions, ce sont les forces qui interagissent entre les molécules qui composent le gaz qui font qu'elles se repoussent les unes les autres et se maintiennent à équidistance.

La pression dynamique, quant à elle, ne s'exerce que parallèlement au sens du déplacement local du filet d'air et, si l'on veut la mesurer, il faut la convertir en pression statique en présentant un obstacle qui va arrêter le filet d'air. Les molécules en déplacement vont se télescoper tout en gardant leur espacement (incompressible vous dis-je) et par inertie vont exercer une pression supplémentaire à la pression statique sur l'obstacle. Si l'on arrive à arrêter complètement le filet d'air et donc à convertir entièrement son énergie cinétique en énergie de pression (point d’arrêt sur un objet), alors la pression statique mesurée à cet endroit est égale à la pression totale du fluide en mouvement, c'est le rôle du tube Pitot qui va opérer la somme de la pression statique Po (celle que l'on mesure avec un baromètre) et de la pression statique supplémentaire engendrée par l’arrêt du filet d'air. Cette somme donne la pression totale.

Je donne peut-être l'impression d'insister lourdement, mais il faut que cela soit parfaitement assimilé avant de poursuivre plus avant.

3.2-Comment s'exercent ces forces d'inertie sur une entrée d'air ?

Or donc, ces molécules qui ont une masse, ont par conséquent de l'inertie et cette inertie va intervenir quand les filets d'air ralentissent et changent de direction. Chaque molécule qui suit une courbe subit une force centrifuge égale à m.V²/r avec m masse de la molécule, V la vitesse et r le rayon de courbure de la trajectoire locale.

La figure 4 représente l'organisation des « molécules d'air » (mes excuses aux physiciens) en amont d'une entrée d'air d'un circuit opposant une résistance. La veine d'air qui va pénétrer par l'entrée est ralentie progressivement et sa pression statique s'élève également. Il s'opère un différentiel de vitesse de plus en plus important entre cette veine et les filets qui vont contourner l'entrée. Plus exactement, c'est le gradient de vitesse qui est en augmentation et qui génère par conséquent un gradient de pression statique.

Un courant devrait donc s'établir de Ps vers Po car la pression statique, comme rappelé précédemment, s'exerce de façon omnidirectionnelle. Cette tendance est contrée par les forces d'inertie citées plus haut, du courant qui contient sous la forme d'un divergeant invisible la pression en augmentation de la veine d'air entrante.

Notons pour une meilleure compréhension, que le rayon de courbure diminue au fur et à mesure qu'on se rapproche de l'entrée pour augmenter la force centrifuge et faire face à la pression croissante de la veine d'air entrante (forme en cornet).

Il vous faudra accepter que cette manière, de laisser les molécules s'organiser naturellement à l''avant d'une entrée d'air opposant une résistance, est celle qui permet d'obtenir le meilleur rendement de compression, mais peut-être pas la traînée externe la plus faible, nous en reparlerons.

A l’appui de cette affirmation, le tube Pitot qui présente une résistance d'entrée infinie (pas de débit), fonctionne avec un rendement pratiquement égal à 1 s'il est bien positionné.

3.3-Et sur une sortie ?

Les mêmes causes produisant les mêmes effets, il n'est pas interdit de penser que tout cela est réversible.

Examinons l'effet des forces d'inertie sur une sortie pour laquelle il resterait de la pression statique non consommée que l'on voudrait re-transformer en énergie cinétique. Il faudrait pour cela former un convergeant de même nature que le divergeant créé plus haut. Le guide invisible formé par les filets d'air extérieurs convergeants autoriserait la veine d'air sortante à ré-accélérer progressivement (Fig.5 partie inférieure).

Oui mais voilà, nous sommes confrontés aux dures réalités du monde réel, car pour faire cela il faudrait pouvoir choisir l'angle de convergence qui de toutes manières serait très prononcé et qui de toute évidence ne permettrait pas au filets d'air extérieurs de contourner le circuit de refroidissement sans décollement à l'arrière. En admettant qu'ils y arrivent, ils seront bien fatigués par l'épaississement de la couche limite externe et leur vitesse sera insuffisante pour créer la gaine convergente nécessaire.

Que se passerait-il alors ?

 La figure 5, partie inférieure, représente ce qui est théoriquement faisable. En réalité, s'il n'y a pas de convergent en sortie, comme celui représenté dans la partie supérieure de la figure, on ne peut pas diminuer le débit d'air tout en récupérant de la vitesse d'éjection, l'air garde la vitesse acquise à la section de sortie, la pression statique s'impose à Po et le débit Q est important. Il n'y a pas de convergent "naturel" extérieur.

Pas question donc de récupérer en sortie de la vitesse par détente extérieure. Il faut concevoir « en dur » le convergent, ce qui permet également de galber le profil extérieur pour éviter les décollements (en jaune figure 5 partie supérieure).

Il faut retenir que quoi qu'il arrive, convergent ou pas, la pression statique en sortie de tuyau vaudra toujours Po.

Remarque : L’image que j'utilise dans l’explication de la pression statique - en gros molécules reliées par des ressorts –est utilisée dans un but d’efficacité pédagogique, mais il faut savoir qu’elle est fausse. Dans l’approximation des gaz parfaits (valable pour l’air dans les conditions normales) les seules interactions entre molécules ou entre molécules de gaz et paroi d’un tuyau se limitent à des chocs très brefs qui donnent lieu à des échanges de quantité de mouvement. Plus précisément, dans une mesure de pression statique, la force exercée sur la membrane du manomètre est le résultat de la percussion de la membrane par les molécules dont la vitesse résulte de l’agitation thermique. En moyenne, pour une molécule de masse m le module V de cette vitesse d’agitation – dont la direction est par ailleurs aléatoire- est donné par

½ mV² =3/2 kT

où k est la constante de Boltzman et T la température absolue. Toute l’énergie interne du gaz est de nature cinétique.

Dans les liquides en revanche, qui sont en général mille fois plus denses que l’air, l’image des ressorts correspond à la réalité . D’ailleurs au moins la moitié de leur énergie interne est de nature élastique.

Puissance absorbée ;

Nous aborderons dans la prochaine partie la puissance absorbée par un circuit de refroidissement en nous aidant de l'analogie électrique et nous verrons qu'un volet de capot pour contrôler le débit de sortie ainsi qu'une résistance interne la plus faible possible sont absolument nécessaires à un circuit de refroidissement optimisé.
A suivre...

17 Novembre:
 Hier était une journée de travail au hangar. Papa a réinstallé le piège à huile pour la fuite au joint spi et s'est mis en recherche d'une clé à œil déportée de 29, pas facile à trouver, pour avoir accès au ressort de tarage de la pression d'huile. Il a l'espoir, avant de rechanger le joint spi, que si on baisse un peu la pression d'huile, cela va arrêter la fuite.

 Il y avait aussi le dépannage de l'avertisseur sonore de décrochage qui ne marchait plus à réaliser. C'est fait.

 Il a également remonté notre strobe au xénon sur l'avion en attendant la réalisation de son prototype à LED's.

 La moquette au sol en places arrières a été enlevée, la peinture de sol haute résistance provisionnée, il reste à la passer.

 Nous gardons la moquette sol pour les places avants, ayant constaté que lors de notre activité montagne on a souvent les chaussures mouillées, ça absorbe un peu et ça permet de ne pas glisser sur les pédales, bref c'est un élément de confort et de sécurité important. J'ai par contre arraché une partie de la moquette du plafond, c'est l'horreur, c'est collé depuis 1963 date à laquelle l'atelier Centre Est Aéronautique l'a posée à la colle contact. J'ai un état de surface dégueulasse maintenant que je ne sais comment rattraper, et tout ça pour 160 gr! Bref encore un peu de boulot pas sympa et pas bien payé à réaliser.

 J'ai refait la peinture noire de l'intrados des pales de l'hélice, par certain types d'éclairage cela devenait vraiment pénalisant, sans compter l'impact négatifs sur nos prises de vues vidéos ou photos :-))

 On a aussi fait des essayages de LED de différentes couleurs pour compléter l'éclairage du tableau de bord. Pour cela on s'est fait enfermer dans l'avion par les copains qui ont ensuite posé la bâche sur le cockpit pour faire le noir.

 Sans surprise, c'est le rouge qui a été retenu car offrant le meilleur contraste. Les 2 LED's sont positionnées sous le strobe, derrière et au-dessus de nos têtes et sont croisées pour éviter l'ombre de nos têtes. L'alimentation électrique est habilement piquée sur le strobe, cet éclairage fonctionne donc en même temps ce qui ne présente aucun inconvénient compte tenu de la faible consommation et de la durée de vie quasi infinie des LED's.

Papa m'a assuré qu'il viendrait encore au hangar aujourd'hui.

Pour ma part, je vous écris tout ça de Mexico qui comme chacun sait est la nouvelle base du 747 à Air France.

18 Novembre:
De Papa:
Ouais. J'ai baissé la pression d'huile vers 2.1 bars (iso 3,5). Essais au sol seulement.
J'ai récupéré et installé  le ressort de l'ancien moteur.
J'ai installé l'éclairage tableau en rouge.
Démonté un phare pour évaluation et aussi pour faire une adaptation LED.
Enfin j'ai pris les cotes pour faire une mise à l'air carter en diamètre plus gros (reniflard). (25 ou 30).
Aujourd'hui, je reste à la maison. j'attaque un dispositif motorisé pour ré-enclencher automatiquement le disjoncteur qui saute !
Peut-être aussi reprendre des manipes optiques avec une LED plus "chaude" dans son spectre d'émission et obtenir une meilleur simulation de la réponse de l’œil (on atténue nettement la forte émission dans le bleu avec cette nouvelle LED).
L'avion est volable, mais j'ai rammené le log book ici.
biz

29 Novembre:

 On a une visite des 100 heures à faire, et hier on a profité du temps pourri pour la débuter. On a déposé l'empennage horizontal monobloc pour changer les rotules de suspension qui avaient pris du jeu.
 C'est une visite assez poussée et nous devons examiner tous les câbles des commandes de vol, leur sertissage, l'état des renvois, tendeurs etc...
 On vérifie surtout le "structural", l'absence de présence d'eau dans l'aile et le fuselage, l'état du train d'atterrissage, du bâti moteur, recherche de criques sur toutes les pièces métalliques...
 On y retourne aujourd'hui.

Rapport du soir:

  On a bien bossé aujourd'hui, remontage du plan horizontal après avoir trouvé les boulons de fixation du guignol de commande desserrés (ça sert les visites!), inspection des cinématiques volets et ailerons, du moteur avec filtres, réglage du pas d'hélice pour la croisière rapide (2,8 sur le vernier), remis les scotch fatigués à neuf etc... c'est pas fini mais presque.
 J'ai identifié un gain de masse potentiel sur la sellerie en diminuant le densité de la mousse de rembourrage de l'assise et du dossier des places arrières qui est de 35 kg/m3. La sellerie arrière a une masse totale de 5 kg! J'aurai pas dit ça.
On doit pouvoir gagner 1 kg sans difficulté et sans trop toucher au confort car la sellerie actuelle est très ferme.
Les affaires reprennent, hé hé!

30 Novembre:
Nous avons fini la 100 h ce matin, reste un point fixe à effectuer pour le calage hélice, mais il faisait vraiment trop moche ce matin.
Beau temps prévu ce week-end, peut être irons nous faire un petit vol pour le plaisir et voir aussi l'efficacité du réglage de la pression d'huile sur la fuite...