Instabilité aéro-élastique de surfaces souples impactées par des jets

Aeroelastic instability of deformable surfaces subjected to jets

• Auteur / Autrice : Antoine Tatin
• Direction : Pascal Hémon, Sophie Ramananarivo
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Inscription en doctorat le 15/10/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LADHYX - Laboratoire d'hydrodynamique

Mots clés

Mots clés libres

Ingénierie

Interaction fluide-structure

Mécanique

Mechanics

Fluid-structure interactions

Engineering

Résumé

La fabrication de films de métal et leur traitement par galvanisation met en jeu des phases de refroidissement et de séchage. Ce processus est réalisé par transfert thermique convectif par jet d'air ou de gaz sur la bande de métal défilante, supportée par deux rouleaux à ses extrémités. Ces derniers doivent être suffisamment espacés pour permettre le refroidissement/séchage de la bande, et peuvent atteindre des hauteurs de 70 m ce qui rend la structure particulièrement déformable. On constate alors que les jets induisent des oscillations ou phénomènes de flambage, lorsque les buses de soufflage sont trop proches de la plaque ou pour des écoulements trop importants. La bande instable entre en collision avec les buses, endommageant son état de surface, et le rouleau doit être écarté. Cela entraine des limitations importantes sur le débit des jets et par conséquent le taux de refroidissement, ce qui restreint la vitesse de défilement de la plaque et in fine la vitesse de production. Comprendre les mécanismes aéroélastiques sous-jacents est une problématique industrielle importante, afin de prévenir et d'atténuer ces phénomènes. L'objectif de cette thèse est d'étudier la dynamique aéroélastique de telles surfaces très flexibles en grands déplacements. Un modèle réduit de bande sera construit, reproduisant les phénomènes d'oscillation et de divergence observés sur les lignes industrielles. Il permettra des mesures contrôlées, de caractériser sa dynamique structurale et sa réponse élastique aux sollicitations des jets. Pour une compréhension approfondie, ce travail expérimental sera couplé à des modèles théoriques et numériques.

The production of metal films and their treatment by galvanization involve cooling and drying phases. This process is carried out by convective heat transfer by air or gas jets blowing on the moving metal strip, supported by two rollers at its ends. The latter must be sufficiently spaced to allow the cooling/drying of the strip and can reach heights of 70m which makes the structure particularly deformable. Jets are then observed to induce oscillations or buckling phenomena, when the blowing nozzles are too close to the plate or for strong enough flows. The unstable strip collides with the nozzles, damaging its surface condition and the metal roll has to be set aside. This leads to significant limitations on the jet flow rate and therefore the cooling rate, which restricts the processing speed of the plate and ultimately the production speed. Understanding the underlying aeroelastic mechanisms is thus a major industrial problem, in order to prevent and mitigate these phenomena. Two types of instabilities are observed : a divergence phenomenon which induces buckling of the strip against the blowing nozzles, and self-sustained oscillations of increasing amplitudes. To discover their origin, model experiments have been carried out, where the strip is approximated by a plate whose dynamics is restricted to one degree of freedom in translation or rotation. Results suggest that instabilites are due to the coupling between the movement of the plate and the flow out of the nozzles. Fluid loading then act as an added stiffness and added damping that alter the structural and dynamical properties of the plate causing it to diverge or oscillate. These experiments were carried out for model geometries with a single degree of freedom. They provide important answers, but reflect only part of the dynamics of real flexible bands which involve several mode of deformations.