EP1049914A1 - Sonde perfectionnee pour la mesure de parametres physiques d'un ecoulement de fluide - Google Patents
Sonde perfectionnee pour la mesure de parametres physiques d'un ecoulement de fluideInfo
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- EP1049914A1 EP1049914A1 EP99956075A EP99956075A EP1049914A1 EP 1049914 A1 EP1049914 A1 EP 1049914A1 EP 99956075 A EP99956075 A EP 99956075A EP 99956075 A EP99956075 A EP 99956075A EP 1049914 A1 EP1049914 A1 EP 1049914A1
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Abstract
L'invention concerne une sonde (S) pour la mesure de paramètres physiques d'un écoulement de fluide dirigé généralement vers l'arrière de la sonde, la sonde comprenant une structure (10, 20) portant au moins un capteur (C), caractérisée en ce que ladite structure comprend une partie (20) dont un bord d'attaque (22) s'étend généralement en avant du capteur et est de forme adaptée pour créer un tourbillon, et en ce que le capteur s'étend dans la région axiale dudit tourbillon.
Description
SONDE PERFECTIONNEE POUR LA MESURE DE PARAMETRES PHYSIQUES D'UN ECOULEMENT DE FLUIDE
La présente invention concerne une sonde pour la mesure de paramètres physiques d'un écoulement de fluide.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de l'aéronautique, pour la mesure de la température de l'air s'écoulant autour du fuselage d'un avion, ou encore de l'air entrant dans l'étage compresseur d'un moteur d'avion à réaction. On connaît déjà des sondes montées en paroi sur le fuselage ou en entrée de moteur des avions, pour mesurer la température de l'air. Ces sondes sont destinées à fonctionner dans des environnements et à des altitudes faisant intervenir des températures largement inférieures à 0°C, et des atmosphères pouvant être chargées en molécules d'eau en surfusion. Une contrainte inhérente au fonctionnement de ces sondes est qu'elles doivent comprendre des moyens pour éviter la formation et l'accumulation de givre à proximité de l'élément sensible de la sonde. En effet, une telle accumulation de givre fausserait les mesures effectuées par la sonde. Une solution connue pour éviter l'accumulation de givre consiste à chauffer certaines parties de la sonde se trouvant à proximité de l'élément sensible, et à corriger l'écart de mesure systématique dû à ce chauffage .
Cette solution est généralement acceptable pour mesurer la température dans des environnements comportant relativement peu d'eau en surfusion (par exemple dans lesquels la concentration en eau en surfusion est inférieure à 1 ,25 grammes par m3 d'air), mais elle n'est pas adaptée en soi pour dégivrer correctement la sonde dans des atmosphères plus fortement chargées en eau.
En effet, dans ce cas, le seul recours à un chauffage plus intensif permet certes de faire fondre le givre, mais il provoque un écoulement de gouttes d'eau issues de cette fusion, gouttes qui viennent au contact de
I élément sensible en s'écoulant et faussent ainsi la mesure délivrée par la sonde
De plus, l'augmentation de l'intensité du chauffage n'est pas une solution satisfaisante du point de vue économique, car l'augmentation de la puissance électrique consommée et du coût associé n'est alors pas négligeable
Un autre moyen pour dégivrer la sonde, employé en combinaison avec le chauffage, est de définir la géométrie de la sonde de manière à dévier autant que faire se peut les trajectoires des particules d'eau en surfusion contenues dans l'écoulement d'air autour de la sonde, de manière à ce qu'une proportion importante de ces particules passent à distance de l'élément sensible de la sonde
On connaît ainsi des sondes dont l'élément sensible est logé dans un canal interne dans lequel seulement une partie des particules d'eau pénètrent lorsque l'air s'écoule autour de la sonde Cette solution présente toutefois l'inconvénient de compliquer la fabrication de la sonde, car il est alors nécessaire de prévoir des aménagements complexes pour passer des câbles électriques afin d'alimenter l'élément sensible et de recueillir les signaux qu'il délivre De plus dans ce cas l'élément sensible, se trouvant dans un canal dans lequel seule une partie du flux d'air pénètre, est peu ventilé par l'air s'écoulant et il est nécessaire que cet élément ait une grande sensibilité, ce qui augmente en général son coût et sa fragilité (emploi de composants en céramique pour la mesure de température par exemple) On connaît également une sonde profilée en forme générale d'aile d'avion, dans laquelle l'élément sensible est place dans un conduit traversant en oblique l'épaisseur du profil Dans cette sonde, l'élément sensible est situé dans un écoulement secondaire de l'écoulement principal de I air autour de la sonde, ledit écoulement secondaire véhiculant sensiblement moins de particules d'eau que l'écoulement principal Grâce à un chauffage modère de la sonde, il est possible de mesurer avec fiabilité la température d'environnements relativement humides et froids
Un but de I invention est d'apporter un nouveau perfectionnement significatif par rapport à l'art antérieur évoqué ci-dessus, pour permettre de constituer des sondes pouvant fonctionner dans des plages de températures et d'humidité élargies, les coûts de fabrication et d'utilisation de la sonde étant réduits et sa fiabilité étant en outre accrue
Afin d'atteindre ce but, l'invention propose une sonde pour la mesure de paramètres physiques d'un écoulement de fluide dirigé généralement vers l'arrière de la sonde, la sonde comprenant une structure portant au moins un capteur, caractérisée en ce que ladite structure comprend une partie dont un bord d'attaque s'étend généralement en avant du capteur et est de forme adaptée pour créer un tourbillon, et en ce que le capteur s'étend dans la région axiale dudit tourbillon
Des aspects préférés, mais non limitatifs de la sonde selon l'invention sont les suivants ' - ledit tourbillon est abrité derrière ladite partie de structure par rapport à l'écoulement du fluide
- ledit capteur est un capteur de température comprenant une résistance à coefficient de température positif, notamment en platine, ou un thermocouple - ladite partie de structure est destinée à être montée avec une incidence non nulle par rapport à la direction principale d'écoulement du fluide, de manière à définir sur ladite partie de structure un intrados et un extrados
- ladite incidence non nulle est comprise entre 15° et 45°, sa valeur étant de préférence environ 30°
- ladite partie de structure a une forme générale d'aile demi delta
- ladite aile demi delta a une flèche comprise entre 35° et 65°, sa valeur étant de préférence environ 50°
- ladite partie de structure est essentiellement plane - ladite partie de structure comporte une région en biseau entre son intrados et son bord d'attaque, de sorte que ledit bord d'attaque est aigu
- ledit capteur s étend de manière essentiellement rectiligne a proximité de l'extrados de ladite partie de structure en définissant dans l'espace un premier écart angulaire avec l'extrados, la projection du capteur sur le plan moyen de l'extrados définissant dans ce plan un deuxième écart angulaire avec le bord d'attaque de la partie de structure
- chacun desdits écarts angulaires a une valeur comprise entre 5 et 20°
- ladite partie de structure comprend des moyens de chauffage
- ladite partie de structure comporte deux plaques correspondant respectivement à l'intrados et à l'extrados et entre lesquelles sont placés des fils résistifs constituant lesdits moyens de chauffage, l'espace entre les deux plaques étant rempli par une brasure
- la conductibilité thermique de la plaque correspondant à l'intrados de ladite partie de structure est supérieure à celle de la plaque correspondant à son extrados
- ladite partie de structure est montée sur un mât profilé
D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante de deux formes de réalisation de l'invention, faite en référence aux dessins annexes sur lesquels
- les figures 1 a à 1 d sont des vues schématiques d'une sonde de température selon l'invention ,
- les figures 2a et 2b sont deux vues selon des perspectives différentes d'une première forme de réalisation d'une sonde selon l'invention ,
- la figure 3 est une vue de détail de la section d'une partie de la sonde des figures 2a et 2b, et
- la figure 4 est une vue de côté d'une deuxième forme de réalisation de l'invention
Les figures 1 a a 1 d sont des sections d'une sonde S placée dans un écoulement de fluide arrivant avec une vitesse V n Pour une meilleure compréhension de la description, on définit un repère XYZ lié à la sonde, tel que représente sur les figures Dans ce repère
• le fluide arrive sur la sonde selon une direction parallèle à X, en s'écoulant de I amont vers l'aval,
• l'axe Z est perpendiculaire à un élément de paroi d'avion (non représenté) sur lequel la sonde est montée
La sonde S comprend un support 10 sur lequel est fixée une aile 20 ayant la géométrie générale d'une aile demi delta Comme cela apparaît sur la figure 1 d, l'aile 20 est placée dans l'écoulement de fluide avec une incidence α
Le support 10 comprend principalement une plaque 100 et un mât 102 fixé sur la plaque et portant l'aile
La plaque 100 est munie de perçages 101 pour être fixée affleurante sur une paroi de montage du fuselage ou de I entrée de réacteur d'un avion
Le mât 102 est fixé (par exemple par soudage) sur la face 1000 de la plaque qui est destinée à affleurer vers l'extérieur de la paroi de l'avion lorsque l'ensemble est monté Ce mât, qui permet de maintenir l'aile 20 en dehors de la couche limite s'écoulant sur la paroi de l'avion, est de forme profilée selon l'axe X pour réduire sa traînée
Sur les schémas des figures 1 a à 1 d, le mât 102 qui s'étend généralement selon I axe Z comprend une première partie 1020 adjacente à la plaque de montage 100, prolongée par une deuxième partie 1021 également profilée mais de section différente dans le plan XY et par une platine 1022 sur laquelle l'aile est fixée
Le mât 102 peut également être réalisé en une pièce unique et avoir une section sensiblement constante selon Z, comme le montrent les deux exemples de réalisation des figures 2a, 2b et 3
Le mât 102 porte a son extrémité opposée à la plaque de support 100 l'aile 20, qui forme avec le support 10 un assemblage rigide
L'aile 20 a comme on l'a dit la forme générale d'une aile demi delta, sa flèche F qui est représentée sur la figure 1 a étant de l'ordre de 50° La figure 1 a permet également de visualiser le bord d attaque 22 et le bord de fuite 23 de l'aile
Comme représenté sur la figure 1 d (et comme cela apparaît en particulier sur la figure 2b), l'épaisseur de l'aile 20 est sensiblement constante dans le plan XY perpendiculaire à son envergure, à l'exception d'une zone 21 adjacente au bord d'attaque 22, ladite zone définissant un biseau entre l'intrados 220 de l'aile en incidence et le bord d'attaque 22, qui est aigu L'extrados 221 de l'aile est quant à lui entièrement plan du bord d'attaque 22 de l'aile jusqu'à son bord de fuite 23
Le bord d'attaque aigu 22 de l'aile 20, provoque l'apparition d'un décollement de l'écoulement d'air, en arrière duquel s'enroule un tourbillon (côté extrados de l'aile)
Ce tourbillon évolue à proximité de la face d'extrados 221 de l'aile de sorte que son axe suive sensiblement une ligne droite L partant en amont d'un point P1 situé à proximité du sommet de l'aile 20 côté extrados Vers l'aval, cette ligne L • s'écarte de l'aile avec un angle β (représenté sur la figure 1 d et dont la valeur, comprise entre 5 et 20°, est de préférence voisine de 7°25) dans le plan XY, • tout en s écartant du bord d'attaque avec un angle γ (représenté sur la figure 1 a et dont la valeur, également comprise entre 5 et 20°, est de préférence voisine de 1 1 °04), pour se rapprocher de la direction principale d'écoulement X et surplomber l'aile dans le plan XZ L'existence de ce tourbillon est particulièrement favorisée par la forme particulière en demi delta de l'aile 20 décrite ci-dessus De plus, cette forme assure également que la position de ce tourbillon (et en particulier de son axe) reste sensiblement constante pour une très large gamme de nombres de Reynolds Re et d'incidences α
Dans une variante de réalisation non représentée sur les figures, l'aile 20 peut toutefois être remplacée par un élément ayant un profil différent, dont le bord d'attaque aigu est apte à générer un tourbillon évoluant également vers l'aval de l'écoulement au-dessus de l'extrados dudit profil, lorsque celui-ci est placé en incidence
La sonde S comporte également un capteur de température C, pouvant comprendre par exemple un élément thermorésistif tel qu'une résistance thermique à coefficient de température positif (de préférence en platine), mais pouvant également être dans une variante de réalisation un 5 thermocouple Ce capteur constitue l'élément sensible de la sonde II n'est représenté que sur les figures 1 a à 1 d, par souci de clarté des figures
Le capteur C, qui a la forme d'un cylindre allongé, est fixé sur l'extrados 221 (par un élément de support non représenté, ou par une soudure directement sur l'extrados) à proximité du point P1 d'origine du 0 tourbillon évoqué ci-dessus, et par une pièce 2210 de support fixée sur l'extrados au voisinage du bord de fuite 23 de l'aile
Le capteur est disposé suivant la ligne L, de manière à coïncider avec l'axe du tourbillon décrit ci-dessus
Son élément sensible est dans le présent mode de réalisation un fil 5 thermorésistif à coefficient de température positif, connecté à des moyens d'alimentation électrique et de traitement des signaux qui sont dans l'avion, par l'intermédiaire de câbles contenus dans un conduit 30 Les figures 2a,
2b et 3 montrent également un connecteur électrique 40 pour raccorder ces câbles aux moyens de l'avion 0 Le conduit 30 traverse tout ou partie du mât 102, afin de ne pas augmenter la traînée aérodynamique de l'ensemble Sur les schémas des figures 1 a à 1 d, seule la partie 1020 du mât est traversée par le conduit
30 Sur la figure 2a ce conduit est entièrement à l'intérieur du mât 102, ce qui améliore l'aérodynamisme de l'ensemble 5 En référence de nouveau aux figures 1 a à 1 d, le capteur C s'étend selon l'axe L du tourbillon généré par le bord d'attaque 22 aigu de l'aile 20, du bord d'attaque jusqu'à un point P2 de l'axe du tourbillon situé légèrement en amont du bord de fuite 23 de l'aile
Lorsque la sonde est montée en paroi sur l'avion et que l'avion C avance dans l'air de sorte que l'aile 20 est en incidence d'un angle voisin de a par rapport à l'écoulement de l'air, (ou que le compresseur du moteur fonctionne et génère ainsi une circulation d'air dans le cas d'une sonde
montée en entrée de reacteur), I air s'écoulant sur I aile 20 s'enroule suivant le tourbillon d'extrados décrit ci-dessus, dans le centre duquel le taux d'humidité est très sensiblement inférieur au taux d'humidité de l'air environnant
En effet, le décollement de bord d'attaque évoque plus haut et qui est suivi du tourbillon constitue un premier barrage pour les gouttes d'eau en surfusion dans l'air, dont une partie importante passe côté intrados de
De plus, le rotationnel important du tourbillon engendre un effet de centπfugation qui éloigne de l'axe du tourbillon la plupart des gouttes qui sont passées côté extrados, malgré le décollement Ces gouttes évoluent ainsi à l'écart du capteur C sur lequel le givre n'est pas susceptible de se former
Ainsi, le capteur C est-il selon l'invention situé au centre d'un tourbillon, de manière particulièrement avantageuse pour réduire au maximum les perturbations de mesure de températures pouvant résulter d'une forte concentration d'eau en surfusion dans l'air
De plus, les vitesses axiales parallèles à l'axe L du tourbillon sont très importantes au voisinage du capteur (de l'ordre de 2,5 VG0), ce qui favorise la ventilation du capteur
Cette bonne ventilation du capteur réduit son temps de réponse et permet d'utiliser un capteur blindé, plus robuste que des capteurs très sensibles, tels que ceux comprenant des composants en céramique, plus chers et plus fragiles
En outre, étant très ventilé, le capteur C délivre des mesures dont la reproductibilité est bien meilleure que celle des capteurs des sondes de l'état de la technique logés dans des canaux internes, qui nécessitaient un étalonnage fastidieux et coûteux
En se référant maintenant plus particulièrement à la figure 2b, la géométrie d'épaisseur sensiblement constante de l'aile 20 permet une réalisation simple sous la forme de deux plaques 200 et 201 assemblées, la
plaque 200 correspondant à l'intrados de l'aile et la plaque 201 correspondant à son extrados
Par ailleurs la sonde S est également munie de fils électriques résistifs pour chauffer l'aile et le mât, afin d'éviter l'accumulation de givre sur ces éléments
Outre le fait que la réalisation de l'aile en deux plaques est simple et économique, elle permet d'intégrer facilement de tels fils résistifs entre ces deux plaques pour chauffer l'aile, lesdits fils résistifs étant alimentés par l'intermédiaire des câbles du conduit 30
La figure 3 permet ainsi de visualiser l'implantation de fils gainés 2000 dans l'interstice 2001 séparant les plaques 200 et 201 de l'aile 20
Etant donnée la faible épaisseur des fils résistifs, il n'est même pas nécessaire d'usiner les faces des deux plaques constituant l'aile pour intégrer ces fils, un matériau de brasure 2002 remplissant cet interstice
Comme on l'a dit, une partie importante de l'eau en surfusion contenue dans l'air arrivant sur le capteur s'écoule sur l'intrados de l'aile 20. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, la plaque 200 constituant l'intrados de l'aile peut mieux conduire la chaleur que la plaque 201 d'extrados, afin de diriger la chaleur dégagée par les fils résistifs vers l'intrados Notamment, la plaque 201 peut être réalisée en un alliage d'acier alors que la plaque 200 et en alliage cuivreux, par exemple du cupro- berrylium
La sonde représentée sur la figure 4 illustre une variante de réalisation de l'invention dans laquelle la partie du bord de fuite 23 de l'aile
^ D 20 qui est la plus éloignée de la ligne L correspondant à l'axe du tourbillon est coupée Ceci permet de réduire la quantité de matière nécessaire à la fabrication de l'aile, sans compromettre son comportement aérodynamique et en particulier la formation du tourbillon Ceci permet également de supprimer une partie excentrée de l'aile qui pourrait éventuellement générer des vibrations
Claims
REVENDICATIONS
1 Sonde (S) pour la mesure de paramètres physiques d'un écoulement de fluide dirigé généralement vers l'arrière de la sonde, la sonde comprenant une structure (10, 20) portant au moins un capteur (C), caractérisée en ce que ladite structure comprend une partie (20) dont un bord d'attaque (22) s'étend généralement en avant du capteur et est de forme adaptée pour créer un tourbillon, et en ce que le capteur s'étend dans la région axiale (L) dudit tourbillon
2 Sonde (S) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit tourbillon est abrité derrière ladite partie de structure (20) par rapport à l'écoulement du fluide
3 Sonde (S) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit capteur (C) est un capteur de température comprenant une résistance a coefficient de température positif, notamment en platine, ou un thermocouple
4 Sonde (S) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite partie de structure (20) est destinée à être montée avec une incidence (σ) non nulle par rapport à la direction principale d'écoulement du fluide (X), de manière à définir sur ladite partie de structure un intrados (200, 220) et un extrados (201 , 221 )
5 Sonde (S) selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite incidence (u) non nulle est comprise entre 15° et 45°, sa valeur étant de préférence environ 30°
6 Sonde (S) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite partie de structure (20) a une forme générale d'aile demi delta
7 Sonde (S) selon la revendication 6, caractérisée en ce que ladite aile demi delta (20) a une flèche (F) comprise entre 35° et 65°, sa valeur étant de préférence environ 50°
8 Sonde (S) selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que ladite partie de structure (20) est essentiellement plane
9 Sonde (S) selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que ladite partie de structure (20) comporte une région en biseau (21 ) entre son intrados (200, 220) et son bord d'attaque (22), de sorte que ledit bord d'attaque (22) est aigu
10 Sonde (S) selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisée en ce que ledit capteur (C) s'étend de manière essentiellement rectiligne à proximité de l'extrados (201 , 221 ) de ladite partie de structure (20) en définissant dans l'espace un premier écart angulaire (β) avec l'extrados (201 , 221 ), la projection du capteur (C) sur le plan moyen de l'extrados définissant dans ce plan un deuxième écart angulaire (γ) avec le bord d'attaque (22) de la partie de structure (20)
1 1 Sonde (S) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que chacun desdits écarts angulaires (β, γ) a une valeur comprise entre 5 et 20°
12 Sonde (S) selon l'une quelconque des revendications 8 à 1 1 , caractérisée en ce que ladite partie de structure comprend des moyens de chauffage
13. Sonde (S) selon la revendication 12, caractérisée en ce que ladite partie de structure (20) comporte deux plaques (200, 201) correspondant respectivement à l'intrados (220) et à l'extrados (221) et entre lesquelles sont placés des fils résistifs (2000) constituant lesdits moyens de chauffage, l'espace (2001) entre les deux plaques étant rempli par une brasure (2002).
14. Sonde (S) selon la revendication 13, caractérisée en ce que la conductibilité thermique de la plaque (200) correspondant à l'intrados de ladite partie de structure (20) est supérieure à celle de la plaque (201 ) correspondant à son extrados.
15. Sonde (S) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite partie de structure (20) est montée sur un mât (102) profilé.
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