Projet sur les ailes d'avion : Journal de Bord

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Réunion de lancement [2h par membre de l'équipe]

• Première description du projet et planning global
• Révision à la baisse du développement maximal du projet, considérant la difficulté

Travaux individuels ou communs [2h]

* Recherches documentaires en mécanique des fluides et aéronautique

• Première visite au Fablab
• Prise de contact avec spécialistes

Réunion de l'équipe [3h30]

Tâches réalisées:

• Visite Plateformes Expérimentales Physique (L2-L3 et L1)
• Visite Plateforme Pédagogique Ingénierie
• Obtention licence Solidworks
• Distribution des rôles de groupe tournants
• Premier bilan et création du wiki

Tâches à venir:

• Charlotte: Prise en main des logiciels (Mathematica, Solidworks, Codesaturn)
• Amélie: Étude des références de la soufflerie empruntée, réflexion sur les protocoles de mesure nécessaires, recherches sur les capteurs et la construction d'une éventuelle autre soufflerie
• Roxane: Contacter autre chercheur à l'institut Jean Le Rond d'Alembert ou dans un autre laboratoire, étudier des programmes de mécanique des fluides sur Mathematica (Wing et Joukowski) et réflexion sur programme pour calculer traînée et portance des objets aérodynamiques
• Julien: Recherche d'informations et réflexion sur les profils d'ailes qui devront être utilisés pour les expériences

Travaux individuels ou communs (2~3h/membre)

• Réalisation des recherches et/ou de la prise en main attribuées

Réunion de l'équipe [3h]

Tâches réalisées:

• Analyse sujets de TP concernant une soufflerie afin de mettre en place un protocole expérimental adapté
• Premiers tests effectués, étude globale de la précision des mesures
• Questionnements sur les objectifs de notre projet : à savoir s'il faut étendre nos modélisations et expérimentations à des modèles d'ailes véritables (géométrie plus complète, comprenant bout d'aile, etc.) ou s'il valait mieux en rester aux “ailes infinies” (profils) dans un soucis de temps et de difficulté de réalisation.
• Séparation du groupe en deux :
  • Roxane et Charlotte travaillent sur la théorie de la modélisation en mécanique des fluides, tout en effectuant des TP de prise en main sur Mathematica
  • Amélie et Julien sur l'aspect expérimental du projet (nécessités matérielles et protocole de mesures)

Tâches à venir:

• Mise en place diagramme de Gantt
• Début des expériences

Travaux des deux sous-groupes

Charlotte et Roxane[3h]:

• Travaux sur la modélisation avec Mathematica de l'écoulement d'un fluide parfait autour d'un obstacle à géométrie simple (un cylindre) pour obtenir le champ de pression et de vitesse; le calcul du champ de pression n'est pas encore abouti. (voir graphique obtenu avec Mathematica ci-après)
• Réalisation de calculs de portance et de traînée avec logiciel simplifié de mécanique des fluides (Mecaflux)
• Comparaison des performances d'un profil en forme de triangle isocèle et d'un profil NACA 2414 [1]

Amélie et Julien[2h (recherches préalables) + 3h (ce jour)]:

• Expérimentation avec le matériel de la plateforme L1
• Mesures préparatoires pour trouver la zone de pression stable dans le flux d'air de la soufflerie
• Mesures de la traînée pour des disques de surfaces différentes avec les dynamomètres, et de la pression autour d'un profil d'aile avec les manomètres
• Considérations pour les expériences à venir:
  • Construire une soufflerie plus grande (diamètre de sortie 20~30cm)(grilles/nids d'abeille, structure extérieure convergente et tuyère)
  • Envisager cette soufflerie comme fonctionnant à air comprimé (disponible dans les salles de TP)
  • Trouver/construire dynamomètre pour mesurer des forces plus importantes (de l'ordre de 10N max?)
  • Trouver/construire rail(s) pour faire des mesures correctes de forces

Réunion de l'équipe [3h30]

Tâches réalisées:

• Réflexions sur les paramètres de la soufflerie à air comprimé (conservation du débit; Bernoulli applicable approximativement; grilles/nids d'abeille faisables en tuyaux/pailles)
• Piste obtenue pour la visualisation de turbulences : strioscopie
• Demande de renseignements techniques sur air comprimé (pression, etc.)
• Réservation de matériel pour rail(s) au PMCLab (rails, roulement à billes)
• Charlotte et Roxane: Présentation aux 2 autres membres de l'équipe des travaux de modélisation et simulation
  Document de présentation

Tâches à venir:

• Obtention de renseignements techniques sur air comprimé

• Roxane et Charlotte: Simulations à différentes tailles de profil pour ordres de grandeurs des forces considérées
• Amélie et Julien: Résolution du problème mécanique du rail (contraindre degrés de liberté en rotation sans contraindre translation)
• Roxane et Julien : Détermination/choix des ordres de grandeurs nécessaires/optimaux des paramètres pour les différents matériels (diamètre de sortie de soufflerie, dimensions des modèles, etc.)

Réunion de l'équipe [2h]

Tâches réalisées:

• Réflexions plus avancées sur la soufflerie à air comprimé (problème vitesse de sortie-diamètre voulu, et vice-versa) et sur le matériel de mesure (tiges, en alternative aux rails; mais même problème de contrainte de rotation)
• Modélisation de matériel par Solidwork pour impression 3D au PMCLab

Tâches à venir:

• Résolution du problème mécanique des mesures (rails/tiges/autre)…

• Roxane et Charlotte: Poursuite des modélisations Solidwork, et impression au PMCLab
• Amélie et Julien: Emploi du matériel imprimé pour premières mesures-test
• Julien: Obtention de précisions sur l'air comprimé (détails sur pression, vitesse et diamètre de sortie)

Tâches réalisées:

Roxane et Charlotte[3h]: Modélisation et impression 3D au PMCLab de matériel pour rail vertical (mesure de la portance) et rail horizontal (mesure de la traînée): modèle réduit de profil d'aile NACA 2414, 2 tiges pour le relier au rail vertical, pneus des roues pour le rail horizontal.Les deux tiges sont reliées entre elles à l'intérieur du modèle réduit avec de la patafixe.

• Amélie: Commande des hélices

Réunion générale [1h]

Tâches réalisées:

• Choix de combiner soufflerie à air comprimé et hélices en engrenage
• Emprunt de miroirs concaves pour strioscopie

• Roxane et Charlotte[3h]:
• Etude écoulement autour d'un mobile cylindrique avec circulation (cinématique, champ de pression, calcul résultante des forces), modélisation sur Mathematica, calcul de la résultante des forces selon la direction verticale (on a retrouvé la formule de Magnus), conclusion: avec la circulation une force est créée elle peut être dirigée vers le haut ou le bas selon le sens de circulation.
• Recherches documentaires pour un protocole de visualisation d'écoulement en utilisant la strioscopie (mais aurons-nous le temps de mener cette expérience ?)
• Amélie et Julien[2h30]: Ajustements du protocole de mesures (passer de support à suspension..)

Tâches à venir:

• Résolution du problème mécanique des mesures (rails/tiges/autre)…

• Roxane et Charlotte: Poursuite des simulations Mathematica: passer d'une géométrie simple à un profil d'aile via des transformations conformes (en particulier la transformation de Joukowski), puis passer à des fluides réels (équations de Navier-Stokes). Tests de plusieurs protocoles pour la strioscopie pour obtenir faisceau parallèle assez large pour déterminer le type de source et matériel pour formation de l'image.
• Amélie et Julien: Prise en main de Solidwork (pour matériel spécifique), recherche de matériel complémentaire pour soufflerie et dispositif de mesures, réflexion sur engrenage de la soufflerie, vérification d'écoulement laminaire

Tâches réalisées:

Amélie[1h/2h (recherches de matériels) + 4h (ce jour)]:

• Renseignement sur la commande des hélices (problème dans les commandes, elles ne sont toujours pas passées)
• Récupération de matériels de mesures supplémentaire (dynamomètres et poulie)
• Mise en place du nouveau protocole de mesure (mais problème de centre de masse et de roue)
• Test de prise de mesures avec les dynamomètres
• Réflexion matériels encore nécessaire pour les mesures : différents pieds pour monter les rails, les dynamomètres les poulies et les tiges et du fils pour les dynamomètres.
• Réflexion construction des rails et début de la construction (le montage nécessite la construction de la soufflerie en premier)
• Récupération du tuyau d'évacuation pour l'extérieur de la soufflerie (le 11/03)

Roxane et Charlotte[4h]:

• Calcul avec Mecaflux des forces de traînée et de portance exercées sur le modèle réduit de profil NACA 2414 (7,5 cm x 10 cm) imprimé au PMCLab: la portance calculée est de 0.8421 N étant donné que le modèle plus les 2 tiges pèsent 50g (poids de 0,5 N) on s'attend à ce que pour un angle d'attaque de 9 degrés le modèle de profil décolle; la traînée est de l'ordre du centième de Newton donc probablement pas mesurable avec les dynamomètres.
• Recherche d'un système de rail générant moins de frottement: l'équipe expérimentale nous a signalé que le modèle ne décollait pas, plusieurs hypothèses: problèmes de fixation des tiges dans le modèle (rotation du modèle, angle d'attaque difficile à garder constant) mais également un problème de frottement lorsque la tige en anneau glisse autour du rail vertical ? Réalisation sur Solidworks d'une autre tige pour impression éventuelle (tige plate qui glisse dans une gorge).
• Etude de la transformation de Joukowski: on a cherché à obtenir une courbe ayant les principales propriétés géométriques des ailes à partir d'un cercle, on a déterminé dans quels cas l'image du cercle de départ est un profil de Joukowski. Voir images ci-dessous

Tâches à venir:

• Réimprimer l'aile et les roues (probablement par Roxane et Charlotte)
• Trouver les différents pieds nécessaires pour les mesures
• Trouver des pieds pour la soufflerie
• Trouver une grande quantité de paille
• Construire la soufflerie (en attente des hélices)
• Nouveau test de mesures avec les nouvelles impressions et le matériels supplémentaires

Tâches réalisées:

Roxane et Charlotte[3h]:

• Reprise des modélisations Solidworks du 24/02: déplacer le trou pour insérer la tige au niveau du centre de gravité pour éviter rotation (réalisation de 2 modèles réduits de profil d'aile, faire l'intérieur des pneus du rail horizontal plus serré pour que le roulement à billes y soit mieux fixé. Impression des nouvelles pièces (difficulté rencontrée pour l'impression des profils: les imprimantes 3D ont parfois eu du mal a fonctionner, impression à plusieurs reprises).
• Recherches pour conception de la grille en nid d'abeille. Conclusion: il faut utiliser de fines lamelles (1mm d'épaisseur) de bois ou de plexiglas s'imbriquant les unes dans les autres; pour réaliser les lamelles, il faut utiliser la découpeuse laser du Fablab et un logiciel (installé sur les postes du Fablab) décomposant une surface en lamelles.
• Recherches pour motorisation de la soufflerie et liaison avec l'axe de hélices (discussion avec des membres du groupe du projet hydrolienne): utiliser une perceuse assez puissante et mettre une tige filetée comme embout, fixer l'hélice sur l'embout avec des vis peut-être. Si problème de dimensions, faire de la soudure.

Amélie et Julien[4h30]:

• Récupération des hélices
• Premières mesures de la traînée avec aile creuse et aile pleine (moins de 0,2 N)
• Problèmes de contraintes et d'élévation avec les mesures de la portance
• Réflexions sur la soufflerie:
  1. les deux hélices sont en rotation opposées; si on veut les mettre en série, on aura besoin d'engrenages pour qu'elles fournissent l'air du même côté
  2. beaucoup trop de pailles nécessaires pour le nid d'abeille, donc retour à un nid d'abeille plus classique (lamelles de bois ou de plexiglas)
  3. risque de complication pour l'utilisation de l'air sous pression (à vérifier). S'il y a confirmation, on optera pour la motorisation
• Préparation des pièces à réimprimer avec Roxane et Charlotte

Julien[~3h]:

• Assimilation de SolidWorks

Tâches à venir:

• Obtenir plaque de plexiglas de 1mm d'épaisseur (les plaques de bois du FabLab sont trop épaisses et risquent de créer des turbulences)
• Modéliser avec Mathematica les lignes de courant et le champ de pression autour du profil de Joukowski en calculant le potentiel complexe de l'écoulement.
• Améliorer les mesures de traînée
• Modifier le protocole pour les mesures de portance
• Début de la construction de la soufflerie

Tâches réalisées:

Julien[5h]:

• Calculs sur transmission et engrenages posent problèmes pratiques ⇒ retour sur soufflerie motorisée

Amélie et Julien[6h]:

• Mesures de la portance: 0.05 N et de la traînée: 0.25 N. Soucis de rapport en comparaison à ce qui est attendu peut-être dû au problème de fixation de l'angle d'incidence et à la limite de la soufflerie dans le cas de la portance.
• Réflexion sur la motorisation des hélices (air sous pression trop compliqué) et de leur fixation dans le tube
• Préparation du nid d'abeille

Tâches à venir:

• Finalisation de la soufflerie
• Perfectionnement des mesures

Julien[1h]:

• Prise en main de InkScape pour plan de découpe laser des composants du nid d'abeille (lamelles à imbriquer)

Julien[4h]:

• Tracé du plan de découpe sur InkScape

Amélie et Julien[3h]:

Tâches réalisées:

• quelques mesures de traînée: ~0.28N (profil [1]), ~0.2N (profil [2]), conforme avec le fait que le profil [2] est censé générer moins de résistance à l'air
• quelques ennuis de départ: aile se déportant sur un côté, car pas bien en face du flux ⇒ veiller au bon alignement des différents éléments et axes (car légers décalages ont des effets importants)
• pour la portance: emprunt d'un élévateur à croisillons (et de niveaux à bulle) pour ajuster hauteur (et angle) de soufflerie, et surtout pouvoir faire suivre le flux d'air par rapport à l'aile lors de l'ascension de celle-ci (jusqu'à équilibre entre portance et tension du dynamomètre)
• angle d'incidence: mesures faites à ~17° (selon rapporteur), entre flux (pratiquement horizontal) et ligne de corde repérée sur le profil

Tâches à venir:

• traînée: prévoir un obstacle à la portance (tiges rigides?) (et surveiller les différents angles)
• portance: stabiliser l'angle d'incidence (et prévoir un obstacle au flux d'air sur les fils de mesure)
• angle d'incidence (stabilisation): les “bras” qui soutiennent l'aile ayant extrémité cylindrique, faire passer 2 fils diamétralement opposés (ou plus) pour stabiliser les variations d'incidence autour de l'axe des bras; fixer les fils tendus au dessus (axe de “chariot”) et au dessous (sol/plan de travail) de l'aile, et ajuster leur écart relatif par pièces rigides
• angle d'incidence (mesures): perfectionner méthode d'évaluation de l'angle (peut-être avec couplage 'rapporteur - fil à plomb/niveau à bulle') et son paramétrage au niveau des bras (marquer les cylindres par rapport à verticale/horizontale ?)
• rails: concevoir support (pieds/cadre/..) élevé de ~70cm, avec espacement de ~40cm, pour poser|aligner|fixer les rails de 50cm
• design: essayer de régulariser manuellement les profils [1] (lacunes, asymétrie) et [2] (irrégularités, orifices des bras trop étroits, voire pas assez profonds)

Roxane et Charlotte[6h]:

Tâches réalisées:

• Poursuite étude de la transformation de Joukovski (dans le cas où elle transforme un cercle en ellipse) et construction du potentiel de l'écoulement dans le plan virtuel: rencontre de difficultés mathématiques. En effet, l'étude de la transformation réciproque nécessite l'utilisation de connaissances que nous venons à peine de voir en analyse complexe (détermination principale du logarithme, étude de la transformation dans un voisinage).
• Réalisation sur Solidworks de profils d'ailes ayant des propriétés géométriques différentes du profil NACA 2414: profil en creux [2] et profil symétrique [3]. Impression 3D du profil creux.
• Reprise de la construction de la soufflerie (permettrait de réaliser plus facilement une expérience de visualisation de l'écoulement avec de la fumée et peut-être une meilleure mesure de la portée en créant un flux laminaire:
  • obtention plaque de plexiglas de 1mm d'épaisseur
  • test du fichier de découpe sur cette plaque: les encoches étaient trop larges la structure réalisée risquait d'être trop fragile. Donc nous avons réalisé une autre grille en bois de 6mm de profondeur.
  • test du système de ventilation avec l'axe de l'hélice relié à une perceuse, mesure de la vitesse de l'écoulement produit
  • début conception d'un intérieur constitué de plaques de bois et de plexiglas pour y placer le modèle de profil

Tâches à venir:

• Réalisation sur Solidworks d'un profil à double courbure: sa modélisation est plus difficile que pour les précédentes car il faut préalablement créer un tableau de coordonnées à partir d'une image du profil en utilisant le programme Imagej (programme libre) et impression 3D
• Fin de l'étude théorique de l'écoulement autour d'un profil d'aile avec le modèle du fluide parfait, modélisations sur Mathematica
• Poursuite de la construction de la soufflerie:
  • mesure de la vitesse de l'écoulement produit avec une perceuse plus puissante (1000 W au lieu de 500 W)
  • obtenir des pailles en grande quantité pour la réalisation d'un nid d'abeille : la grille en bois est une solution rapide mais les pailles sont plus efficaces pour créer un écoulement laminaire; après discussion avec des membres du pmclab, la réalisation d'un tel nid d'abeille ne serait pas aussi longue que nous le pensions.

Julien[2h]:

• Construction d'un support en bois pour surélever et fixer les rails

Amélie et Julien[4h]:

• perçage et vissage des rails sur les pieds du support, au pmclab ⇒ alignement correct, bon roulement de l'axe-chariot (qui supporte l'aile)
• traînée: stabilisation en angle de l'aile en contraignant les fils de suspension avec des tiges rigides ⇒ mesure stable, cohérente
  • mesures de traînée sur profil[1]
  • sur profil[2], effet imprévu: aux angles d'incidence voulus (faibles, proches de 5°), l'aile pique du “nez” (à analyser/corriger)
• portance: mise en place des fils tendus verticaux pour stabiliser l'angle d'incidence ⇒ mesures encore instables (à améliorer)

Roxane et Charlotte[4h]: Expérience de strioscopie

• Entraînement à la réalisation de la source ponctuelle (laser avec objectif de microscope)
• Application de différents protocoles pour mesurer la distance focale d'un miroir concave aux miroirs concaves de la plateforme expérimentale de licence de physique et d'un miroir concave utilisé pour les projets d'holographie
• Test du dispositif à l'aide d'une flamme de briquet: on arrive à visualiser les mouvements de l'air chaud autour de la flamme mais l'effet reste assez discret, l'image obtenue avec une caméra numérique n'est pas de bonne qualité.
• Réservation d'un grand miroir parabolique mais de focale inconnue à la plateforme expérimentale de master de physique (MEEF) pour le 14/04

Roxane[3h]: Poursuite construction de la soufflerie

• Réalisation du nid d'abeille avec des pailles
• Construction de la veine d'expérience de la soufflerie
• Réalisation du patron du cône reliant le dispositif d'aspiration (perceuse avec l'hélice) à la veine de visualisation

Tâche à venir: réalisation de la pièce reliant le nid d'abeille à la veine d'expérience

Roxane et Charlotte[4h]: Expérience de strioscopie

• Réalisation du montage expérimentale avec le grand miroir; difficulté rencontrée: le miroir était trop lourd pour que l'on puisse manipuler sur une paillasse
• Mesure de la distance focale du miroir par auto-collimation et par recherche du point où le miroir focalise tous les rayons lumineux: 50±2.5 cm; cette distance focale est beaucoup plus grande que celle des miroirs utilisés le 07/04 (12cm et 20cm) mais elle est plus faible que celle des miroirs utilisés pour les expériences de strioscopie en mécanique des fluides (de l'ordre de 1,50m).
• Obtention d'un appareil réflexe numérique de très bonne qualité (emprunté à une autre étudiante) en suivant les conseils de M.Tignon, professeur responsable des projets d'holographie
• Test du dispositif avec une flamme de briquet: réalisation d'une vidéo de ce que l'on observe sur l'écran
• Test du dispositif avec un sèche-cheveux: l'effet est trop faible pour être visualisé sur une vidéo.

Amélie et Julien[4h]:

• traînée: mesures supplémentaires sur les profils [1], [2] et [3] ; faites à différents angles d'incidence, dont les angles (respectifs) de finesse maximale, prévus par simulation
• portance: montage toujours assez instable, ou bien génère trop de frottements: mesures donnent résultats inférieurs aux prévisions

Réunion de l'équipe [1h]

• Réflexion sur les axes du rapport
• Mise en place de la répartition des parties

Roxane[5h]:

• Fin de la construction de la soufflerie
• Expérience de mesure de portance
• Observation de l'écoulement autour du profil avec de la fumée

Charlotte[5h]:

• Prise en main Latex
• Rédaction rapport

Préparation soutenance [4h]