Février 2015 - Etude sur la trainée de refroidissement

12 février :
 Après les retours enthousiastes suscités par nos vidéos montagne, je vous soumets cette ancienne, mais pas si vieille, vidéo de l'Envolée 2013 que je rapatrie dans ce blog:

18 février:
 Peu d'actualité ce mois-ci à cause des activités des uns et des autres, mais nous avons réussi à organiser une journée de travail au hangar aujourd'hui.
 Papa a eu la tache d'installer notre nouvel instrument MGL MAP 2T qui nous donnera pression d'admission, compte tour et température carburateur sur un seul display. Cet instrument prend la place de notre vénérable compte tour électronique. Coté carburateur, pas de problème pour se brancher sur la prise de PA prévue à cet effet qui comporte d'ailleurs un restricteur intégré. Une simple soudure à l’étain va nous permettre de sortir sur un tube en laiton sur lequel on branchera un tube en silicone pour rejoindre l'instrument. Un peu plus de travail d'adaptation sera en revanche nécessaire pour installer la sonde de température. Le compte tour sera alimenté par l'allumage d'une magnéto, comme notre autre instrument multifonctions Flight2, une magnéto par instrument pour permettre de faire les essais magnéto au point fixe.

  Pour ma part, j'ai déplacé les nageoires précédemment installées plus en avant et sur le capot moteur inférieur, pour que le vortex généré aux grands angles soit plus large quand il arrive sur l'aile.
 J'ai remarqué que proportionnellement à l'installation sur avion de ligne (les nageoires sont sur les moteurs) nous étions beaucoup plus près de l'aile dans notre installation, ce qui expliquerait le peu d'efficacité mesuré.
 Comme précédemment, je me suis arrangé pour que les nageoires soient à incidence nulle en vitesse de croisière pour en limiter la trainée. Y'a plus qu'à essayer !

 Concernant l'étude sur la trainée de refroidissement, j'ai installé l'une des 4 sondes de température disponibles dans le compartiment moteur, dans la sortie d'air de refroidissement. De cette manière, nous pourrons mesurer l'élévation de température dans le circuit. Je vais installer prochainement un Pitot qui fera face au flux d'air, au niveau du col de sortie.

 Connaissant la pression génératrice (vitesse avion), la température extérieure, la pression totale de sortie, la surface de sortie au col et la température en sortie, nous seront en mesure de calculer très précisément la trainée de refroidissement et surtout d'évaluer l'efficacité des modifications que nous allons apporter à ce circuit. Il faudra, et c'est un impératif, que le capot n'ai plus aucune fuite externe. Je dis bien externe, car même si les fuites internes sont nuisibles et doivent être réduites au minimum, gage d'une trainée de refroidissement réduite, les fuite externes polluent notre modèle de calcul qui n'est valable que si l'on contrôle tout ce qui rentre et tout ce qui sort du circuit. Heureusement, les fuites externes sont les plus faciles à stopper, j'y travaille en ce moment et j'en reparlerai.
Ci dessus, une vue du col de sortie.

 Installation d'une batterie Li-Fe PO4 à la place de notre batterie acide:
 J'ai reçu notre nouvelle batterie, bien plus légère et petite que l'ancienne. Gain annoncé, 8,9 kg !
Ça nous laisse un peu perplexe, mais on y croit.
 J'ai donc pris toutes les mesures pour lui faire une belle boite ventilée. Pas de difficultés majeures en vue, ça semble facile (j'ai appris à me méfier quand même), j'installerai une des sondes de température dans le logement pour surveiller tout ça.
Ci contre, une vue de l'installation actuelle.
 Nous devrions partir à l'Envolée avec cette nouvelle batterie.


20 février:
Voici un topo qui explique notre démarche expérimentale pour réduire la trainée de refroidissement:

DOSSIER TECHNIQUE

Calcul de la traînée de refroidissement à partir d'une installation expérimentale.

 Le but de cet étude est de concevoir une installation expérimentale pour avion léger afin de déterminer facilement et à moindre frais une valeur chiffrée de la traînée de refroidissement et de mesurer les progrès apportés par nos améliorations successives du circuit. En effet, la mesure de la vitesse avion comme seul retour qualité s'avère trop imprécis et dépendant de trop d'autres facteurs comme la masse, la propreté avion, les conditions météo et j'en passe.

1- Le circuit de refroidissement, modélisation :

 Le circuit de refroidissement peut être modélisé par un tuyau avec une entrée face au vent relatif et une sortie par laquelle s'échappe l'air chaud de refroidissement. Nous pouvons, sans entrer dans le détail de ce qui se passe à l’intérieur du tuyau, calculer la traînée interne si l'on est capable de mesurer la variation de quantité de mouvement appliquée à l'air qui le traverse.

 Si l'on nomme Tr la traînée de refroidissement, elle s'exprime par le produit du débit massique d'air et de la différence de vitesse entre l'air d'alimentation (infini amont) et l'air à la section de sortie.

Tr = M.(V1 – V2)

avec M débit massique en kg/s, V1 vitesse avion (m/s) et V2 vitesse de sortie (m/s)

Par convention, Tr est positif dans le cas d'une traînée (qui freine l'avion). Dans le cas d'un réacteur, V2 > V1, ce qui donne une traînée négative et donc une poussée.

2 – Débit massique :

 Le débit massique, constant dans le tuyau, peut facilement s'exprimer à partir d'une section donnée, nous choisirons la sortie par commodité, car c'est l'unique lieu du circuit où l'on a à la fois une section facilement mesurable et une pression statique égale à la pression extérieure. Dans cette section, le débit massique M est le produit de la masse volumique en ce lieu par la section de sortie (surface) et par la vitesse locale (m/s).

M = ρ2.S2.V2

3 – Vitesses :

 La vitesse n'est pas directement disponible en tant que telle, mais sous la forme de vitesse indiquée (ou IAS) qui n'est que la conversion d'une pression dynamique mesurée à l'aide d'un Pitot et d'un instrument type Badin. Rappelons que l'IAS ne représente la vitesse vraie qu'au niveau de la mer en standard, c'est à dire avec une masse volumique de l'air ρ0 = 1,225 kg/m3.

On peut donc écrire l'égalité suivante :

Pdyn = Ptot - Pstat = ½.ρ0.IAS² = ½.ρ.V²

 Dans cette expression, ρ est la masse volumique réelle de l'air et V sa vitesse réelle.

La vitesse réelle que nous recherchons pour satisfaire le calcul de la quantité de mouvement s'obtient donc en faisant :

V = IAS.√(ρ0/ρ)

 L'IAS est la vitesse lue sur le badin, ρ dépend de l'altitude et de la température.

4 – Expression de la variation de quantité de mouvement développée :

 Reprenons l'expression de la variation de quantité de mouvement du chapitre 1 :

Tr = M.(V1 – V2)

 Remplaçons M et les vitesses par leurs expressions développées, on obtient :

Tr = ρ2.S2.IAS2.√(ρ0/ρ2).[IAS1.√(ρ0/ρ1) – IAS2.√(ρ0/ρ2)]

 En simplifiant, il vient :

Tr = ρ0.S2.IAS2.[IAS1.√(ρ2/ρ1) – IAS2]

 Or, à pression statique constante, le rapport de masse volumique d'un gaz est égal au rapport inverse des températures exprimées en ° Kelvin.

On peut donc écrire :

ρ2/ρ1 = T1/T2

 L'expression de Tr devient :

Tr = ρ0.S2.IAS2.[IAS1.√(T1/T2) – IAS2]

5 – Précisions sur l'expression de Tr :

 Tr, traînée, s'exprime en Newtons à condition que toutes les autres grandeurs soient en unités S.I., c'est à dire :

ρ0 = 1,225 kg/m³

S2 en m²

IAS en m/s

T en °K

 Le dispositif expérimental nécessite donc de connaître la valeur de la section de sortie ainsi que la température d'entrée et de sortie du circuit. L'IAS1 est fournie par l'installation de bord, c'est l'IAS avion. Attention à ce que l'hélice ne modifie pas la vitesse d'entrée, notamment en cas de circuit de refroidissement ventral déporté dans le souffle hélice, car l'IAS1 serait alors supérieure à l'IAS avion.
 Dans ce cas, prévoir une mesure de pression totale devant l'entrée d'air et un autre Badin.

 Pour le jojo, je considère a priori que l'influence de l'hélice est négligeable car les entrées d'air sont près du pied de pale, mais on le vérifiera.

 L'IAS2 nécessite une prise totale et un instrument badin supplémentaire.

 La pression statique peut être prise sur le réseau de bord. Elle est la référence commune de toute les mesures d'IAS.

6 – Commentaires :

 Tr est le produit de 3 membres qu'il convient donc de minimiser.

 Le premier, ρ0 est constant, il n'y a donc rien à espérer de ce coté.

 Le second, S2 indique que plus la section de sortie est petite, plus faible est la traînée.

 Le dernier, qui est un carré de la vitesse, habituel dans l'expression de la traînée et qui peut aussi s'écrire IAS1.IAS2.√(T1/T2) – IAS2² indique que plus l'IAS2 sera proche de l'IAS1, plus la traînée sera faible. Notons également que plus l'élévation de température est importante, plus faible sera la traînée, il convient donc de réduire au minimum le débit massique et de travailler chaud, mais aussi de réduire au minimum les pertes de charge dans le circuit pour récupérer un maximum de pression dynamique en sortie et donc de vitesse dans le convergent.

 Le lecteur attentif pourra me faire remarquer que si IAS2 est nulle, l'expression de Tr devient nulle également. Il existe 2 solutions à cette proposition :

• Soit le débit est nul, mais il n'y a plus de refroidissement et par définition il n'existe pas de traînée de refroidissement.
• Soit la section S2 est infiniment grande, mais comme elle constitue l'un des coefficients de l'expression de Tr, on tombe dans un cas d'indétermination apparent puisque IAS2 tend vers 0, mais S2 tend vers l'infini.
  En fait, quand S2 tend vers l'infini, l'expression de Tr devient :
  Tr = ρ0.S1.IAS1².√(T1/T2) avec S1 section infini amont de la veine d'air qui entre dans le circuit. Nous sommes dans le cas de la traînée maximum, toute la pression dynamique de la veine d'air prélevée est perdue dans le divergent de sortie en tentant d'imposer l'augmentation de pression statique au monde extérieur, ce qui est bien sûr impossible.
  Il est amusant de constater que dans ce cas précis, plus la traînée des obstacles internes au circuit est faible, plus la traînée globale du circuit augmente car dans ce cas, S1 augmente également prélevant une veine d'air plus large, contenant plus de puissance et qui est entièrement perdue en sortie.

 Dernière chose et non des moindres, on réalise bien maintenant que s'il existe des fuites externes sur le circuit, cela va complètement fausser les calculs, car le débit massique ne sera plus constant sur toute la longueur du tuyau. Il faudra donc prendre un soin particulier à toutes les éliminer.

 Notons, pour finir cet exposé, que les données récoltées permettrons de calculer le flux de chaleur récupéré par le circuit de refroidissement et donc d'en mesurer l'efficacité.

 Merci de votre attention,

et maintenant, il n'y a plus qu'à mettre en pratique, bientôt dans le blog !

De Papa:
Instrument MAP2-T
 J'ai réalisé les adaptations mécaniques pour les sondes tempé et pression.
Je peux réutiliser la sonde tachy actuelle, ce qui me facilite la vie.
Reste à faire les câbles d'adaptation pour tout ça....


25 février:
 Je passe une semaine de vacances avec la famille à la station d'Isola 2000. Pas de ski cette année pour moi, ce serait prématuré après mon opération du genou, mais je défends ma part de Tartiflette et de vin chaud.
 Je rêve pas mal de vol montagne, d'autant que nous sommes logés pile dans la finale de l'altisurface transformée en piste de ski pendant la saison. On aperçoit le petit chalet de l'aéroclub sur la gauche.