Mars 2016 - Circuit de refroidissement

4 mars:

Mail au père:
Circuit de refroidissement.
 J'ai étudié avec attention notre moisson de données, j'ai même pu "recycler" nos mesures précédentes en corrigeant efficacement les valeurs qui étaient erronées de pression d'entrée. J'ai donc beaucoup de points de mesures des grandeurs du circuit de refroidissement avec des paramètres d'entrée différents (température extérieur, vitesse avion, position du volet de capot).
 Il semblerait, quand je compare les résultats à la théorie, que j'ai encore un problème avec ces mesures, en voici le détail:

 Il y a normalement une relation entre le débit massique et la chute de pression dans le circuit avec une loi en racine carrée. Plus exactement, si l'on veut doubler le débit massique, il faudrait normalement quadrupler la delta P et je constate une loi plutôt linéaire avec nos mesures.
 Par ailleurs, la puissance thermique évacuée par l'air de refroidissement qui devrait être plus ou moins proportionnelle à la puissance sur arbre ne l'est pas, et d'assez loin.
 J'ai donc étudié les raisons qui pouvaient creer cette double anomalie et je pense avoir une piste.
 Si j'ai des fuites d'air externes qui augmentent quand on ferme le volet et que la pression sous capot augmente, cela expliquerait cette double divergence. En augmentant artificiellement la section de sortie dans mon modèle excel (pour simuler les fuites), et en l'augmentant plus pour les pressions sous capot les plus élevées, je résous à la fois les deux problèmes.
 Les pressions les plus fortes sont autour de 20 hPa, ou 20 gr/cm2, ce qui fait une pression peut être plus parlante de 2 kg sur un carré de 10 par 10 cm, ou encore 200 kg/m2. Malgré nos efforts pour limiter ces fuites, il est probable que les capots se déforment suffisamment sous de tels efforts pour créer quelques bâillements intempestifs qu'on ne peut apercevoir du cockpit en vol.
 Pour en avoir le cœur net, je ne vois qu'une solution efficace, c'est de scotcher tous les capots lors d'un nouvel essai, en attendant de trouver une solution efficace et définitive pour venir à bout de ces fuites.
 Dans un premier temps, j'aimerai bien avoir un modèle cohérent pour ne pas raconter de conneries.

 L'accès à la connaissance est décidément un long chemin !


Vue d'artiste de nos ambitions avec nouvelles entrées d'air et carénage devant le pare-brise.
(photo originale modifiée de 2008, déjà on y pensait.)

De Papa:

 La relation à laquelle tu te réfères est de la forme bien connue P = ρ.V² où V est proportionnel au débit massique. Cette loi fonctionne en traînée et portance en espace libre grâce à l'introduction de paramètres Cz, Cx et surtout Re  (Reynolds) qui prend en compte les écarts à cette loi. Dans cette géométrie, le frottement est localisé à la surface (couche limite) et des effets d'inertie sont à l’œuvre partout ailleurs.

 Ton cas de figure s'apparente d'avantage à un tuyau à section évolutive, et qui frotte pas mal. Je verrais bien une loi plus ou moins proportionnelle (entre les deux, en fait) dans ce cas.

 Je déconne ou bien ?

 Je vais en parler a mon plombier. Et aussi faire une petite recherche internet...

De moi:

 Bonne remarque, mais je n'ai pas fait les choses à moitié. C'est effectivement une loi entre les deux. 

 Le rapport NASA (en onglet documentation de ce blog) que j'ai largement utilisé, fournit l'équation qui lie le débit massique à l"'orifice pressure drop" d'un moteur (chute de pression à travers le moteur). Je suis bien conscient que cela concerne le moteur seul et non le circuit complet, mais j'ai fait l'hypothèse que c'était peu différent.
 L'équation s'écrit Qm = a.(ρ.P)^b
 L'expérience montre (dixit la NASA) que pour la majorité des moteurs à cylindres à plat opposés, le terme b (en exposant) est compris entre 0,52 et 0,58. (0,5 donnerait la racine carrée, 1 donnerait une loi linéaire).
 Le coefficient "a", beaucoup plus variable d'un moteur à l'autre, est lié à la taille de l'orifice et donc à celle du moteur.
 Par ailleurs, ρ dans l'équation doit être la masse volumique de l'air chaud, pour plus de précision dans le modèle, donnée que je calcule facilement.
 Dans mon modèle excel, j'ai donc fait varier la section de sortie du circuit pour simuler des fuites d'air et faire varier Qm.
 Je connais ρ, P et j'ai choisi b = 0,52 (au pif). J'ai ensuite modulé les fuites pour obtenir a = cte pour être conforme au modèle théorique.
 J'ai constaté que si je faisais l'hypothèse qu'il n'y a pas ou peu de fuites quand le volet de capot est en pleine ouverture (quand la pression interne est la plus faible), cela me conduit à majorer la section de sortie en position de volet pleine fermeture (90 cm2 mesurés) de plus du double (190 cm2).
 Parallèlement, on constate qu'avec ce coefficient "a" rendu constant, la puissance thermique évacuée devient quasi proportionnelle à la puissance sur arbre, ce qui fini de me convaincre de la présences de fuites externes importantes.
Document NASA contractor report 3405 de 1981, lire pages 20 à 23 du doc (page 22 à 25 du pdf).

Étude NASA refroidissement moteur

Bonne lecture.

23 mars:
 Et bien ça y est, j'ai passé avec succès mes test simulateur et fin d'adaptation en ligne pour être commandant de bord A330 à Air France et je vais enfin pouvoir apprendre aux oiseaux à voler!
 Observez mon nouvel avion auquel il manque deux moteurs, mais il parait que c'est normal.

 Je suis rentré hier de Caracas et deux heures avant de se poser à Roissy, mon contrôleur m'a présenté un message de notre compagnie indiquant que Brussel était fermé cause sûreté!
 Non, ce n'était pas une mise en situation fictive de plus, c'était réel ! Le monde ne sera décidément plus comme avant.
 Au parking, mon contrôleur m'a remis mes 4 galons lors d'une mini cérémonie improvisée dont nos pairs ont le secret. C'est l'aboutissement d'une longue formation, pratiquement un an que j'y travaille.
 Mon "vrai" contrôle, celui où tout se joue, s'est en réalité passé il y a quelques jours au simulateur lors d'un "loft" (scénario de vol) où l'on fait face... à la fin du monde.
 Bon, c'est un peu exagéré, mon scénario s'est déroulé sur un vol retour de Bombay d'où nous étions partis avec une tolérance technique sur un des deux calculateurs becs et volets (SFCC). Comme il n'est pas question de réaliser tout le vol, nous sommes lâchés à 1 heure de Paris avec le carburant mini arrivée, sinon c'est pas drôle. Après ça commence, surchauffe circuit hydraulique vert, puis panne du jaune. Le pilote automatique ne marche plus suite à ces deux pannes, donc "à la mano". Les conséquences croisées des pannes hydrauliques et de la tolérance sfcc conduisent à envisager un atterrissage avec seulement les becs partiellement sortis, la sortie du train par gravité, l'absence de freinage normal et la perte d'orientation de roue avant. Comme si cela ne suffisait pas, tous les ILS sont cassés à Roissy, ça sera donc une approche Loc dme à la main, la rigolade quoi.
 Et devinez quoi? ça s'est bien passé.
 Le but de telles séances est de charger au maximum l'équipage pour voir si la conscience de la situation reste bonne (trajectoire assurée, systèmes opérants, autonomie restante), si les priorités sont bien identifiées, si l'équipage partage bien la charge de travail sous l'impulsion du cdb et que les bonnes décisions sont prises. Donc en gros, reste-t-il quelques neurones pour prendre les bonnes décisions dans un environnement particulièrement stressant et très chargé.
 Après la pose, on termine ensuite la séance de 3h30 en cassant quelques moteurs dans les différentes phases du décollage.
Je suis sorti de là vidé, mais heureux!



Nouvelles mesures sur le SPEEDJOJO, sortie du 18 mars:

  Malgré mon activité professionnelle chargée, j'ai néanmoins trouvé le temps avec le père pour faire un dernier relevé en colmatant les fuites d'air supposées au niveau des capots moteur.
 Pour préparer ce vol nous avons démonté l'enveloppe de la couille et les boas d'alimentation et de sortie en air de celle-ci. Le but de la manipe était de permettre une meilleure précision de la mesure de la section de sortie du circuit ainsi que de pouvoir observer la température d'huile dans cette configuration a priori moins favorable.

 Nous avons également vérifié le positionnement de chaque sonde de température et testé toutes les sondes de pression pour vérifier qu'aucun tuyau n'était pincé.

 Puis nous avons méthodiquement scotché tous les capots pour éliminer toute fuite potentielle.

 Super météo bien calme ce jour là avec une bonne coopération du contrôle de Nice pour notre montée au niveau 75.

Première analyse des résultats:
 Qui montre que décidément, les résultats enregistrés sont rarement attendus, et que la méthode expérimentale est absolument nécessaire, c'est un peu la magie de cette étude.
 Sans rentrer dans le détail, les mesures de ce jour sont en phase avec les précédentes et j'en conclue que nos capots sont relativement étanches, même sans les scotchs. De ce point de vue, c'est une bonne nouvelle.
 Par contre, du point de vue du "modèle théorique" que je tente de décrire pour le circuit de refroidissement, ça complique les choses, car certaines grandeurs comme le flux de chaleur que je pensais directement proportionnel à la puissance sur arbre ne le sont pas. Également, je ne retrouve pas de modèle simple prévu par la théorie qui lie la chute de pression dans le circuit au débit massique. J'avais, en première approximation assimilé la chute de pression à travers le moteur à la chute de pression à travers le circuit. Il s'avère que cette approximation est erronée, ces résultats montrent une influence importante de l'entrée et de la sortie du circuit. Mais il va bien falloir faire avec, je ne peux pas tordre mes résultats pour les faire coller à la théorie ne serait-ce que par honnêteté.

 Si je devais brosser à grands traits les conclusions de cette étude expérimentale que j'ai vérifiée et revérifiée, voici mes propositions:

 - Le débit massique dans le circuit de refroidissement complet est sensiblement proportionnel à la delta P entre l'entrée et la sortie. Il y a donc une prépondérance des forces de frottement par rapport aux forces d'inertie et donc un nombre de Reynolds moyen dans le circuit faible.

 - Le flux de chaleur évacué par le circuit de refroidissement (puissance thermique) dépend non seulement de la puissance sur arbre, mais aussi du débit massique. A puissance sur arbre égale, le flux de chaleur augmente avec le débit massique de refroidissement. En d'autres termes, à puissance moteur égale, plus je cherche à abaisser la température cylindre (en augmentant le débit d'air) et plus la part de puissance thermique évacuée par le circuit augmente.
 Or, à puissance moteur constante, la puissance thermique globale est constante également.  Il faut donc convenir que l'autre source de dissipation de chaleur, les gaz d'échappement en l'occurrence, varie en sans inverse du flux de refroidissement du circuit. Plus je ferme les volets de capots et plus la température des gaz d'échappement augmente.

Note: la puissance thermique évacuée par le circuit de refroidissement est égale au produit du débit massique (Qm), de l'élévation de température et du Cp (cte).
 En fermant le volet de capot, la température de sortie augmente, mais le produit (delta T°)x Qm diminue.

Refroidissement de l'huile:
 Pas de changement important du refroidissement de l'huile avec et sans l'enveloppe de la couille. Il faut se rendre à l'évidence que ça ne marche pas, la surface d'échange est beaucoup trop faible.
 J'en arrive même à la conclusion que la couille n'est pas du tout refroidie par l'air qui circule en partie basse du moteur, ce que j'ai pourtant longtemps cru et ce qui m'a dirigé dans cette impasse.
 Alors pourquoi sur l'équipement de base du Continental O-200 n'y a-t-il pas de radiateur ?
 Et bien parce que dans la plupart des cas d'utilisation, l'huile ne chauffe pas.
Pourquoi?
 Parce que sur les avions légers courants, le circuit de refroidissement est sur-dimensionné, ce qui conduit à utiliser un moteur froid, avec des cylindres maintenus à une température très en deçà de la limitation constructeur de 274°C. Or, c'est le moteur qui transmet sa chaleur à l'huile.
 Maintenant que j'ai compris ça, je réfléchis à un système d'autorégulation de la température d'huile avec un radiateur, pour refroidir l'huile quand le moteur est chaud et non quand il est froid. Or, le moteur est chaud quand je ferme les volets de capot, ce qui fait monter la pression dans la partie basse du moteur (la pression en partie haute ne dépend que de la vitesse et dans une moindre mesure du régime moteur). En faisant ce constat, il semble bien plus intelligent d'alimenter un radiateur par de l'air à la pression du plenum inférieur plutôt que par de l'air à la pression du plenum supérieur, la sortie étant à la pression statique extérieure. La difficulté est que sans dispositif adéquat, le radiateur sera alimenté par de l'air chaud, ce qui vous en conviendrez n'est pas idéal. L'astuce consiste donc à installer un détendeur simplifié pour amener de l'air froid au radiateur, mais à la pression qui existe dans le plenum inférieur. Tout cela doit être simple et fiable, c'est une nécessité pour nous, pas question d'installer une régulation électromécanique complexe qui risque de tomber en panne.


29 mars:
A Papa:
Répartition des flux de chaleur:
 Suite à l'hypothèse concernant la température des gaz d'échappement qui serait plus élevée quand le volet de capot est fermé, il conviendrait de vérifier cela en plaçant un thermocouple convenablement positionné sur la ligne d'échappement.
 Les lignes d'échappement, notamment le pot Chabord, présente une surface d'échange sous capots non négligeable et une température élevée. Il y a donc un échange de chaleur sous les capots qui doit dépendre du débit d'air de refroidissement, c'est même une évidence car l'échange est proportionnel à la vitesse de l'air de refroidissement. Plus il y a de débit dans le circuit et plus l'échange doit être important. Pour le mettre en évidence, il convient donc de mesurer la variation de température des gaz dans la ligne d'échappement à l'endroit où elle sort des capots moteur.
 L'idéal serait de pouvoir mesurer cette température dans le "4 en 1" avant le silencieux externe. Un seul petit trou pour passer la sonde EGT avant le silencieux à un endroit où finalement les contraintes sont assez faibles (diamètre plus important du tuyau) est envisageable il me semble, d'autant que ça nous donnerait une info de plus sur le réglage de la richesse moteur (pic EGT) et la possibilité de conserver cette mesure de manière pérenne dans notre instrumentation pour des manipes ultérieures.

 J'ai tenté de calculer la variation de température des gaz d'échappement à laquelle il faut s'attendre quand on déplace le volet de capot de pleine ouverture à pleine fermeture de manière que le flux thermique global soit constant (à puissance moteur constante bien sûr).
 Au niveau de vol 75 et au régime de croisière rapide de 2750 tr/mn, nous avons pu mesurer le flux de chaleur évacué par le circuit de refroidissement.

 Avec le volet de capot plein ouvert, ce flux s'établit à environ 40 kW alors qu'en pleine fermeture, il n'est plus que de 25 kW. Il y a donc un différentiel de 15 kW que je suppose évacué par les gaz d'échappement plus chauds avec le volet fermé.
 La question est donc, quelle différence de température du débit massique d'échappement nous donne ces 15 kW?
 Première chose, évaluer ce débit massique. En connaissant le régime et la cylindrée du moteur, la pression et la température d'admission, je trouve un débit massique d'admission (et donc d'échappement) de Qm = 0,073 kg/s.
 Le Cp des gaz vaut 1100 J/(kg.°K) (source internet), proche de celui de l'air (capacité thermique massique à pression constante).
 Le différentiel de puissance thermique vaut donc:
delta Pth = delta T°.Cp.Qm
 On calcule que 15 kW correspondent à une différence de température des gaz d'échappement de 187° mesurée dans la portion de ligne d'échappement à la sortie du capot. Ce même flux de chaleur reçu par le circuit de refroidissement donne une augmentation de température de sortie circuit de 18° volet plein ouvert avec un débit de refroidissement de 0,835 kg/s. Or, nous mesurons une delta T° circuit de 47° volet plein ouvert. On peut donc supposer que si les collecteurs d'échappement sous le capot étaient isolés thermiquement, la delta T ne serait plus que de 47-18 = 29°.

 Bon j'espère que vous n'êtes pas perdus.
 Pour résumer, j'espère que nous mettrons en évidence cette variation d'EGT en sortie capot sinon c'est moi qui serai perdu.


30 mars:
Aussitôt dit aussitôt fait !
 Nous sommes allé ce matin avancer la GV en cours du SPEEDJOJO.













 J'en ai profité pour installer la sonde EGT juste derrière l'échangeur d'air cabine et donc pratiquement au niveau de la sortie du capot moteur.














 J'ai aussi réinstallé mes 4 sondes de température sous capot à la sortie du circuit de refroidissement. Pourquoi les 4? Et bien je les ai disposées de gauche à droite de façon a pouvoir détecter un gradient horizontal de température et ainsi améliorer la précision. Il n'est pas impossible que l'air de sortie ne soit pas homogène en température, comme ça je serai fixé. J'ai donc réalisé de petites équerres en alu que j'ai collées en place. Les thermocouples ont ensuite été fixés dessus au scotch alu.