Thèse présentée par Yohann Nyirumulinga

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

Soutenue le 26 avril 2011 devant le jury composé de :

Hassan PEERHOSSAINI Polytech'Nantes Président
Abdellah HADJADJ INSA Rouen Rapporteur
Paola CINNELLA ENSAM PARIS Rapporteur
Francesco GRASSO IAT, Cnam Paris Examinateur
Clotilde CHAGNY-REGARDIN IAT, Cnam Paris Co-Encadrante
Frédéric MARMONIER FIVES Stein Co-Encadrant CIFRE
Roger OHAYON LMSSC, Cnam Paris Directeur de thèse

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. À 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 industriels. 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 91 capteurs de pression sur une surface de 18 cm². Elle peut également être translatée dans les trois 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 par anémométrie à fil chaud et ont permis de déterminer leurs propriétés statistiques.

Les mesures de coefficients aéroélastiques sur la plaque en rotation ont été effectuées sur une 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-traitement sont proposées afin d’extrapoler les résultats à différentes largeurs de bande. Ils sont confrontés aux travaux de Regardin et al. 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.



Laboratoire de Mécanique des Structures et des Systèmes Couplés - LMSSC