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Tp mécaniques des fluides TPN°4 : Etudes des tuyères I. Introduction : Les tuyè

Tp mécaniques des fluides TPN°4 : Etudes des tuyères I. Introduction : Les tuyères ou les buses sont des conduits de forme spéciale (conique ou oblongue) dans lesquels un fluide accélère alors que sa pression diminue. On peut obtenir des valeurs importantes des vitesses avec des taux de compression relativement faibles dans le cas des fluides compressible. Ce genre de fluide ayant une très grande vitesse à la sortie de la tuyère peut être utilisé dans des nombreuses applications industrielles ; par exemple dans les turbines, les éjecteurs et les injecteurs et même dans le domaine de l’astronautique (les fusées et la propulsion à réaction). C'est une conduit de section droite variable placé à la sortie d'un propulseur et qui sert à transformer en énergie cinétique l'énergie des gaz de combustion. C'est le conduit terminal d'une chambre de combustion. La tuyère d'un propulseur à poudre joue un double rôle : par la section de son col conique, elle règle la combustion du bloc de poudre, et par la forme et les dimensions de son divergent, elle contribue à la création de la force propulsive due à la détente plus ou moins poussée des gaz. Une tuyère se décompose en trois zones : le convergente la zone de col le divergent encore appelé jupe de tuyère, éventuellement équipé de volets dits volets de tuyère. Du fait des températures élevées (environ 3500°c) et de l'obligation de conserver une section constante, le col de tuyère est réalisé en matériau réfractaire (graphite, carbone, tungstène). Pour les divergents, on trouve des fabrications métalliques. II. But de la manipulation : Cette manipulation consiste à étudier le rendement d’une tuyère ou buse soit comme énergie cinétique soit comme producteur de poussée spécifique. La manipulation aide aussi l’étudiant à se familiariser avec ce type d’appareil qui est équipé de tous instruments nécessaires pour la Hfaiedh Amir EN2 GR1 Page 1 Tp mécaniques des fluides mesure de la pression, du débit massique, de la température, de la poussée et de la force d’impact. III. Étude théorique : 1. Vitesse du jet :  Vitesse théorique : V2 =√2(h1−h2s)  Vitesse expérimentale : V2 = F Qm Avec : h1-h2s = γ γ−1 *R*T1*[1-(rp) (γ-1)/γ] : la variation isentropique de l’enthalpie ou γ = 1.4 ; R = 287.1 J/kg.K et rp = P2/P1 F : force exercée dans une direction axiale Qm : Débit massique de l’air 2. Rendement de la tuyère : η = V 2 2 2(h1−h2s) 3. Poussée spécifique: I = F Qm Avec :  F : Réaction du jet On note que :  1 : entrée de la tuyère  2 : sortie de la tuyère  s : après processus isentropique Hfaiedh Amir EN2 GR1 Page 2 Tp mécaniques des fluides IV. Description du dispositif expérimental : Dans l’appareil d’étude des tuyères, l’air est comprimé par un compresseur entre 700 et 900 kN.m-2 puis amené dans une tuyère montée sur la paroi d’une chambre. Le jet d’air sortant de la tuyère percute un dispositif de choc monté à l’extrémité d’un cantilever. En quittant le dispositif de choc, l’air possède une vitesse axiale nulle puis il passe par une vanne régulatrice de pression et il sera finalement rejeté dans l’atmosphère à travers un débitmètre d’air. La force associée au changement du moment entraine la déviation du cantilever qui sera mesurée par un micromètre, le contact est aussi détecté par un voyant lumineux et un voltmètre. La force exercée est déterminée par à partir d’un essai d’étalonnage par contrepoids sur le cantilever. L’appareil est livré avec 5 tuyères, chacun possède un taux de détente différent, dans notre manipulation on va travailler avec la tuyère nº1 et la tuyère nº3. V. Étude expérimentale : 1. Etalonnage du cantilever : Force (N) 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Lecture sur le cadran 11 22 36 48 61 74 86 On trace alors la courbe d’étalonnage : l’évolution de la force F (N) en fonction de la lecture sur le cadran L. Hfaiedh Amir EN2 GR1 Page 3 Tp mécaniques des fluides 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 20 40 60 80 100 Lecture Force (N) Figure: 1 Cette courbe sera utilisée dans la détermination de la force F dans les expériences ultérieures. En effet la courbe F = f(L) est une droite qui passe par l’origine d’équation F = a L, aveca est la pente de la courbe. F = 0.0417 L 2. Détermination de la vitesse du jet et du rendement de la tuyère : On utilise la tuyère nº1et on effectue les séries de mesure suivantes : Nº Essai 1 2 3 4 5 6 7 P1 (P) 451300 471300 481300 551300 601300 661300 701300 P2 (P) 101300 321300 351300 471300 551300 611300 671300 T1 (K) 298 298 299 300 300.5 300.8 301 T2 (K) 298 299 299 300 301 301 301 Qm (g/s) 3.5 3.4 3.3 3.2 3.1 2.6 2.1 Lecture sur le cadran 12 10 8 6 4 2 0.5 F(N) 0.5 0.41 0.33 0.25 0.16 0.083 0.02 On va calculer pour chaque essai la vitesse du jet et le rendement de la tuyère ; les résultats obtenus seront notés dans le tableau suivant : Nº Essai 1 2 3 4 5 6 7 V2exp (m/s) 147.05 128.125 110 96.15 66.66 37.72 10 V2th (m/s) 448.75 245.73 223.45 162.58 124.55 114.21 85.4 h1-h2s (J/kg) 100690.5 30191.77 24966.9 13216.61 7757.03 6521.9 3647.04 rp 0.224 0.68 0.73 0.85 0.91 0.924 0.957 η 0.327 0.52 0.49 0.59 0.53 0.33 0.11 Maintenant on utilise la tuyère nº3et on effectue les séries de mesure suivantes : Nº Essai 1 2 3 4 5 6 7 Hfaiedh Amir EN2 GR1 Page 4 Tp mécaniques des fluides P1 (P) 491300 461300 451300 431300 421300 416300 411300 P2 (P) 101300 151300 201300 251300 301300 351300 401300 T1 (K) 300 301 301.5 302 302.5 303 306 T2 (K) 300.5 300.5 301 301 301.5 301.7 302 Qm (g/s) 3.8 3.4 3.3 3.2 3.15 3.1 3 Lecture sur le cadran 38 30 25 20 15 12 10 F(N) 1.58 1.25 1.04 0.83 0.62 0.5 0.41 On va calculer pour chaque essai la vitesse du jet et le rendement de la tuyère ; les résultats obtenus seront notés dans le tableau suivant : Nº Essai 1 2 3 4 5 6 7 V2exp (m/s) 466.05 390.93 347.5 320.77 260.625 227.45 208.5 h1-h2s (J/kg) 109239.9 6 82326.14 62270.41 43298.48 27697.71 14380.51 2149.41 V2th(m/s) 467.41 405.77 352.9 294.27 235.36 169.6 65.56 rp 0.2 0.32 0.44 0.58 0.71 0.84 0.97 η 0.99 0.96 0.98 1.09 1.1 1.34 3.18 On trace alors les courbes du débit massique et du rendement en fonction du taux de compression : η =f (rp) et Qm = f (rp). 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 η = f (rp) Tuyère N°1 Tuyère N°3 rp η Figure: 2 Hfaiedh Amir EN2 GR1 Page 5 Tp mécaniques des fluides 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Tuyère N°1 Tuyère N°3 rp Qm Figure.3: Qm = f (rp)  Interprétation : On remarque que le rendement évolue progressivement en fonction de taux de compression rp.A une certaine valeur le rendement de la tuyère est maximal qui n’est pas une valeur logique (très grande). On remarque aussi qu’il ya certaines valeurs de rendement supérieures à 1 (il atteint même 3 dans le cas expérimental) ce qui n’est pas logique ; ceci est du à l’imprécision du matériel et aux erreurs de lecture. 3. Détermination de la réaction du jet et de la poussée spécifique : On utilise la tuyère nº1et on effectue les séries de mesure suivantes : Nº Essai 1 2 3 4 5 6 7 P1 (P) 501300 491300 481300 501300 551300 621300 671300 P2 (P) 101300 331300 361300 391300 461300 561300 641300 T1 (K) 300 300 301 301 302 302 302 T2 (K) 300 300 300.5 301 301 301 301.5 Qm (g/s) 3.7 3.4 3.2 3 2.6 2.2 2 Lecture sur le cadran 40 22 20 16 12 10 8 On va calculer pour chaque essai la réaction du jet et la poussée spécifique ; les résultats obtenus seront notés dans le tableau suivant : Nº Essai 1 2 3 4 5 6 7 F(N) 1.67 0.917 0.834 0.667 0.5 0.417 0.33 I 451.35 269.7 260.625 111.116 192.3 189.54 165 Maintenant on utilise la tuyère nº3 et on effectue les séries de mesure suivantes : Hfaiedh Amir EN2 GR1 Page 6 Tp mécaniques des fluides Nº Essai 1 2 3 4 5 6 7 P1 (P) 461300 451300 441300 431300 426300 421300 421300 P2 (P) 101300 151300 201300 251300 301300 351300 401300 T1 (K) 300 301 301.5 302 302.5 303 305 T2 (K) 300.5 300.5 301 301 301.5 301.7 302 Qm (g/s) 3.8 3.4 3.3 3.2 3.5 3.1 3 Lecture sur le cadran 38 30 25 20 15 12 10 On va uploads/Litterature/ tuyer.pdf