Instrumentation et mesures ultrasonores dans un écoulement d'air en couche limite : application à la détermination de l'angle d'incidence d'un aéronef

Instrumentation and ultrasonic measurements in a boundary layer : application to the determination of the angle of attack of an aircraft

• Auteur / Autrice : Heidi Schwartz
• Direction : Guy Feuillard, Jean-Christophe Valière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aéroacoustique
• Date : Soutenance le 17/11/2014
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire GREMAN (Tours)
• Jury : Président / Présidente : Michel Roger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Vander Meulen, Emmanuel Le clezio, Christian Prax
• DOI : 10.70675/94d8d8bcz8332z45fbzb569ze2c7e5c8b0f4

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transducteurs ultrasonores

Couche limite turbulente

Angle de contact

Aéronautique -- Instruments

Couche limite -- Contrôle

Aéronefs

Mots clés libres

Ultrasons

Écoulement

Retard

Mesure

Couche limite

Résumé

Dans le domaine de l’aéronautique, la connaissance de l’angle d’incidence d’un aéronef est un paramètre de vol essentiel. L’objectif de ce travail est d’examiner le potentiel des systèmes basés sur des mesures de temps de vol par ultrasons, pour la réalisation de sondes flush. La sonde développée est constituée de transducteurs ultrasonores émetteurs et récepteurs. La mesure de retards entre ces ondes pourrait permettre de déterminer l’angle d’incidence par le biais d’un calcul analytique. Cette formule ne pouvant être utilisée que dans Je cas où l’écoulement avoisinant les capteurs est uniforme, ces limites sont étudiées au cours de ce travail. Le développement d’un code de calculs basé sur la théorie des rayons permet dans un premier temps d’appréhender le comportement des ondes au sein d’une couche limite turbulente. Puis, dans un second temps, des tests sont effectués en soufflerie anéchoïque. Les retards expérimentaux obtenus sont similaires à ceux obtenus par la simulation numérique. De plus, la comparaison des retards expérimentaux avec les retards analytiques, montre que les résultats sont également proches, et ce particulièrement pour les grands angles. Dans un troisième temps, les angles d’incidences sont déterminés par des mesures de rapports entre retards expérimentaux. La déduction de l’angle est faite à l’aide d’un abaque numérique et d’un abaque basé sur le calcul analytique. Les résultats montrent que l’abaque analytique semble être l’outil le plus approprié à la détermination des angles d’incidence. L’approximation du code au niveau du choix des tirs de rayons utilisés pour les calculs, pourrait être la principale source d’erreurs des calculs.

In the field of aeronautics, the angle of attack of an aircraft is an essential flight parameter. The aim of this work is to analyze the systems based on measurements using ultrasonic times of flight, and to realize an aeronautic ultrasonic system. The probe that has been developed during this work is made of ultrasonic transducers, transmitters and receivers of ultrasonic waves. Measuring delays between these waves may allow the determination of the angle of attack, thanks to an analytical calculation. Limits of this formula are studied during this work because it may only be used in uniform fields. First of all, a numerical model based on the ray theory is developed to take into account the propagation effect of a turbulent boundary layer. Afterwards, experiments are conducted in an anechoic wind tunnel. The experimental delays obtained are similar to those calculated with the developed code. Furthermore, comparison between experimental delays and those calculated thanks te basic expressions of times of flight, shows similar results particularly at high angles. Finally, the angles of attack are determined thanks to measurements of ratio between experimental delays. The angle is deducted thanks to two different tools, a numerical abacus based on the developed code, and an analytical abacus. The results show that the analytical abacus is the most appropriate tool for determination of angles of attack. Indeed, the boundary layer part becomes negligible when ratio between delays is taken into account. The approximation of the code concerning the choice of the shots of rays used for the calculation may be the main source of errors.