S7-21-11-13-Simulation Numerique-2

Ce qui a été vu et dit sur TacomaLa perte en soufflerie d’une maquette de Rafale

Conclusion

Un remake du pont de Tacoma Narrowsou pourquoi ni la simulation numérique, ni l’expérience ne

remplaceront le raisonnement de l’ingénieur

Chaire de Calcul Scientifique, Cnam, Paris.

The old fellow The new one

Chaire de Calcul Scientifique, Cnam, Paris. Un remake du pont de Tacoma Narrows


Conclusion

Une histoire similaire mais ... en soufflerie.

La maquette expérimentale étaitau 1/20 et non pilotée. Lesessais eurent lieu au CNAM àl’Institut Aéro-Technique deSaint Cyr dans une soufflerie dutype Eiffel.



Conclusion

PLAN DE L’EXPOSÉ

1 Ce qui a été vu et dit sur TacomaLes faits observésInterprétations

2 La perte en soufflerie d’une maquette de RafaleLe moyen d’essaiLa balanceDescription de l’incidentLe phénomène physique du canard

3 Conclusion



Conclusion

Les faits observésLes faits observés

Ce que la caméra a filmé...

Le 7 novembre 1940 à Tacoma Narrows : un vent de 70km/h et pendant40mn le pont s’est mis à osciller dans un mouvement de torsion-flexion. Laseule victime fut le chien resté dans la voiture :

Le film de la version adoptée en 1990 Les versions folkloriques...



Conclusion


Les interprétations

Cet accident fut considéré comme l’acte de naissance de l’aéroélaticité,phénomème dominant dans le dimensionnement des avions modernes.

Il y eu de nombreuses explications, des émissions de télévision encorerécentes et des cours d’écoles d’ingénieurs.

1 Les allées de Von Karman qui ne semble pas compatibles avec lesénergies mises en jeux (Von Karman ' 1945)

2 La résonance linéaire qui fut influencée par l’histoire du pont mis enrésonance par des soldats marchant au pas ( ' 1970)

3 Le phénomème de flottement par échange d’énergie entre deuxmouvements mais contredite par une étude japonaise (' 1980)

4 Le galop en flexion qui était sur la bonne voie (Den Hartog ' 1980)

5 Le flottement de décrochage en torsion qui est aujourd’hui l’explicationretenue (Robert Scanlan ' 1990)



Conclusion


Les allées de Von Karman (the VK-paths)

Prenons le cas d’un fil de diamètre D. L’écoulement à basse vitesse,présente des instabilité s de couches limites qui éjectent des tourbillons dansle sillage et créent des forces transverses oscillantes à une fréquenceappelée fréquence de Strouhal (' .2 U

D soit pour le pont de Tacoma : 2 Hzalors que la fréquence observée était de .2 Hz.

Calcul NS-incomp.

De plus, ce phénomène, qui est à l’origine du sifflement des lignesélectriques n’apparait pour le pont, que si la vitesse du vent est inférieure à0,1m/sec.



Conclusion


La résonance

Lorsque la fréquence d’excitation d’une stucture coıncide avec une fréquencepropre on a un phénomène de résonance. Le verre que l’on fait chanter estun exemple. Celui du pont d’Angers, un autre, qui a introduit un règlementmilitaire lors de la traversée d’un pont :

"Il faut casser le pas pour ne pas casser le pont"

Avant Après



Conclusion


Le flottement entre deux mouvements (flutter)

Ce phénomème fut découvert pendant la guerre du pacifique sur les P51,mais ne fut bien compris que par la suite. Ce mécanisme nouveau surprisbeaucoup les ingénieurs qui se mirent à en voir partout, y-compris sur le pontde Tacoma.

Mais la simulation numérique fut très difficile à effectuer en raison de laviolente instabiilté qu’elle produit. Le NAL (Tokyo/Japon) fit une étudenumérique très poussée en 1980 qui enleva toutes ses chances à cetteexplication ...

Flutter in situ Simulation du Flutter



Conclusion


Le galop (galloping)

C’est un mouvement de flexion globale du pont qui se traduit dans une travéepar une translation verticale. Comme sur le dos d’un cheval.

Mais ce qui le crée est un phènomène de vent apparent.



Conclusion


Le flottement de décrochage (stall flutter)

Dans le cas d’une torsion globale le mécanisme est similaire. Mais le ventapparent n’est plus exactement le même en chaque point (rotation), sauf si lecentre de rotation est éloigné. C’est le mécanisme rencontré sur le pont deTacoma que nous allons discuter sur un exemple qui s’est produit au CNAMen 1989 sur un avion de combat :

mais en fait sur une maquette de soufflerie...



Conclusion

Le moyen d’essaiLa balanceDescription de l’incidentLe phénomène physique du canard

La soufflerie Σ4

Soufflerie à rafales à circuit ouvertSection de la veine d'essai : 0,90m x 0,85mGamme de Mach : 0,3 < Mach < 2,8Réglage de la vitesse du vent par 2 cols soniques :Souris à l'amont, parois verticales à l'avalVariation continue en montée comme en descenteParois perméables ou pleines selon le nombre de Mach Système énergétique : aspiration à l'aval par trompe à eau chaude Pression génératrice : 1 bar Durée moyenne d'une rafale : 60 secondes

Maquette du Rafale (Dassault ) montée en dard dans la soufflerie Sigma 4 du CNAM

FIGURE : Visualisation de la veine d’essai de la soufflerie Σ4 du CNAM



Conclusion


La balance

FIGURE : Balance aérodynamique réalisée par électroérosion au CNAM



Conclusion


Ce qui est arrivé !

• En 1990, une maquette de l’avion Rafale était installée dans la veine de lasoufflerie Σ4 de l’Institut Aéro-Technique de Saint-Cyr-l’Ecole, qui est uninstitut du CNAM.

• Les essais avaient pour but de déterminer les coefficients de tangage del’avion sous fortes incidences et à la vitesse subsonique (Mach=0.7).

• L’opérateur a constaté une mise en vibration pendant une vingtaine desecondes (400 oscillations) avant de perdre la maquette qui s’est désintégréesuite à la rupture de la balance en son point faible.



Conclusion


Fonctionnement du canard

L’air s’engouffre entre les deux ailes et cela crée un phénomène de Venturi.Une conséquence positive est d’accentuer la dépression en extrados de lavoilure principale sur sa partie amont.

Angle de blocage du Venturi

Fonctionnement du canard en Venturi

CanardVoilure principale

Voilure principale

Canard

Sens de l'écoulement

FIGURE : Principe du canard

Lorsque l’angle d’incidence augmente,l’air passe de moins en moins bien.Cette transition étant assez brutale, elleinduit une variation assez brusque surle coefficient aérodynamique detangage.



Conclusion


Les mesures en soufflerie

Les mesures effectuées ont conduit aux courbes de portance et de momentde tangage représentées sur la figure. En bas à gauche nous avons tracé lemoment de tangage lissé et à droite la courbe brute issue des mesures ensoufflerie.

FIGURE : Coefficient de portance et moment de tangage en fonction del’incidence α. A gauche nous avons représenté la courbe lissée et à droite lacourbe brute.



Conclusion


Evolutions du foyer et de l’amortissement

Nous avons représenté la distance a du point O au centre de poussée P etl’amortissement aérodynamique provenant du vent apparent et issus demodèles numériques.

FIGURE : Evolutions du centre de poussée et de l’amortissement.



Conclusion

Conclusion

• Nous avons retrouvé sur ce petit exemple la même situation que cellerendue célèbre par le pont de Tacoma-Narrows.• Mais la simplicité de la structure que nous avons considérée, du moins dupoint de vue de sa flexibilité, permet ici d’obtenir une modélisationindiscutable conduisant sans ambiguité à un flottement de décrochage. Enoutre, il a été possible de fournir toutes les explications du mécanismeresponsable de l’incident (fermeture du Venturi sous fortes incidences) grâceà des simulations numériques et des recoupements avec les essais.• Ces recoupements observés avec les apports théoriques sont surprenantsde précision, aussi bien pour prédire la nature du phénomème que pour sasimulation. Mais ce n’est que par un échange constant entre l’expérimenttionet la simulation que le problème a été résolu.

Merci de votre attention


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