Etude expérimentale de l'aéroélasticité d'une plaque oscillante impactée par une batterie de jets turbulents

Experimental Approach to the Aeroelastic Behaviour of an Oscillating Plate Impinged by Arrays of Turbulent Jets

• Auteur / Autrice : Yohann Nyirumulinga
• Direction : Roger Ohayon, Clotilde Chagny-Regardin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 26/04/2011
• Etablissement(s) : Paris, CNAM
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Arts et Métiers (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des structures et des systèmes couplés (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Hassan Peerhossaini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Roger Ohayon, Clotilde Chagny-Regardin, Hassan Peerhossaini, Abdellah Hadjadj, Paola Cinnella, Francesco Grasso, Frédéric Marmonier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdellah Hadjadj, Paola Cinnella

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérodynamique

Mécanique

Flottement (aérodynamique)

Ailes oscillantes (aérodynamique)

Mots clés libres

Impact de Jets Turbulents

Plaque Oscillante

Coefficients Aéroélastiques

Flottement

Divergence

Mesures de Pression Instationnaire

Anémométrie à Fil Chaud

Turbulent Impinging Jets

Aeroelastic Coefficients

Oscillating Plate

Flutter

Divergence

Impinging Jets

Unsteady Pressure Measurements

Hot Wire Anemometry

Résumé

Les instabilités aéroélastiques de bandes d’acier constituent aujourd’hui l’un des problèmes majeurs dans les sections de refroidissement par jets impactants des lignes de recuit continues.En effet, le traitement thermique des nouveaux aciers nécessite de très fortes pentes de température impliquant constamment des augmentations de vitesse de soufflage susceptibles de mettre en jeu des instabilités aéroélastiques. Des flottements ainsi que des divergences de bande ont déjà été constatées et identifiées. Ces deux instabilités impliquent dans la plupart des cas des chocs entre la bande et les buses de soufflage ce qui engendre des défauts de surface sur la bande.Un banc d’essai a été conçu et fabriqué dans le but d’analyser ces instabilités et d’anticiper leur apparition. A partir d’observations, la dynamique structurelle de la bande a été simplifiée à un mode de rotation rigide. Le banc comporte une plaque oscillante en mouvement forcé.Celle-ci est impactée par un dispositif de plusieurs jets axisymétriques turbulents ayant une disposition identique à celle des tours industrielles. Les efforts aérodynamiques stationnaires et instationnaires agissant sur la plaque sont mesurés au moyen de capteurs de pression.L’impact de plusieurs jets en interaction crée de très importants gradients de pression sur la plaque il est donc nécessaire que la grille de prises de pression soit très fine pour que l’estimation des efforts aérodynamiques soit correcte. La plaque est donc instrumentée de 91capteurs de pression sur une surface de 18 cm². Elle peut également être translatée dans les ois directions de l’espace, ce qui permet d’obtenir la distribution des efforts instationnaires ainsi que des coefficients aéroélastiques sur une grande surface de plaque et à différentes distances d’impact.Les mesures de pression stationnaires ont permis d’établir les courbes d’évolution des efforts d’impact des jets sur la plaque en fonction de la distance jet-plaque ainsi que de la géométrie des buses. Les résultats ont permis de déterminer la stabilité statique de la plaque en mouvement de pompage. Les mesures de vitesses des jets libres ont été effectuées paranémométrie à fil chaud et ont permis de déterminer leurs propriétés statistiques.Les mesures de coefficients aéroélastiques sur la plaque en rotation ont été effectuées surune seule géométrie de soufflage, pour différentes vitesses réduites. Les résultats mettent en évidence l’importance des effets de bords sur la stabilité de plaque. Des méthodes de post traitements ont proposées afin d’extrapoler les résultats à différentes largeurs de bande. Ils sont confrontés aux travaux de Regardin et al. (réf. [1]) et mettent en évidence des désaccords avec le cas réel. Des suggestions sont apportées afin d’améliorer la représentativité du banc vis-à-vis des bandes industrielles.

Aeroelastic instabilities of steel strips impinged by arrays of cooling gas jets have becomeone of the main issues in cooling sections of continuous annealing lines. Indeed, the new steeltreatments require very high temperature variation rates which involve increases in jetvelocities that are likely to onset some aeroelastic instabilities. Strip flutter and divergencehave already been observed and identified. These two aeroelastic instabilities imply a strongrisk of contact with the blowing boxes, which can seriously blemish the strip.An experimental test rig was designed and built in order to analyze and predict of theseinstabilities. From observations, the strip’s structural dynamics was simulated by a rigidrotation mode. The rig included a forced oscillating plate which is impinged by an array ofaxisymmetric jets having the exact industrial geometry. The plate was instrumented withpressure sensors to measure the steady and unsteady surface pressures. The impingement ofinteracting jets creates very large pressure gradients on the plate and therefore a tight mesh ofpressure taps (91 over an 18cm² jet impingement surface) was necessary to allow a goodestimation of the aerodynamic loads The plate could also be moved in the three coordinatedirections as to obtain surface mappings of the unsteady jet forces and aeroelastic coefficientscan be obtained over a wide area and different jet-to-plate distances.The variation of the impinging aerodynamic forces was established as a function of the jetto-plate distance for different nozzle geometries. These results were used to determine the jetstatic stability in plunging motion. Velocity and turbulence measurements in free jets werecarried out using hot wire anemometry in order to determine their statistical properties.Aeroelastic coefficient measurements were carried out on the oscillating plate with onlyone nozzle geometry and different reduced velocities. Results show that the plate’s stability ismainly dependent on the boundary effects. Post processing methods are suggested in order toapply the results to larger plates. Results are compared to the data of Regardin et al. (réf. [1])and emphasize some discrepancies with respect to the real case. Finally some improvementsto the test-rig are suggested for it to be more representative of the industrial situation.