Un nouveau capteur mince et flexible caractérise les flux d’air à grande vitesse sur les surfaces courbes

Un nouveau capteur mince et flexible caractérise les flux d'air à grande vitesse sur les surfaces courbes

Le capteur multidirectionnel développé par des chercheurs japonais peut aider à améliorer l’efficacité des machines à fluides à l’échelle industrielle. Crédit : Université des sciences de Tokyo

Le secteur de l’énergie et des transports utilise souvent différents types de machines à fluides, notamment des pompes, des turbines et des moteurs d’avion, qui ont tous une empreinte carbone élevée. Cela résulte principalement d’inefficacités dans la machinerie des fluides causées par la séparation des écoulements autour des surfaces courbes, qui sont généralement de nature assez complexe.

Pour améliorer l’efficacité des machines à fluides, il faut donc caractériser l’écoulement près de la paroi sur la surface courbe pour supprimer cette séparation d’écoulement. Le défi pour y parvenir est multiple. Premièrement, les capteurs de débit conventionnels ne sont pas suffisamment flexibles pour s’adapter aux parois incurvées des machines à fluides. Deuxièmement, les capteurs flexibles existants adaptés aux surfaces courbes ne peuvent pas détecter l’angle du fluide (sens d’écoulement). De plus, ces capteurs sont limités à ne détecter que la séparation de flux à des vitesses inférieures à 30 m/s.

Dans une nouvelle étude, le professeur Masahiro Motosuke de l’Université des sciences de Tokyo (TUS) au Japon et ses collègues, M. Koichi Murakami, M. Daiki Shiraishi et le Dr Yoshiyasu Ichikawa de TUS, en collaboration avec Mitsubishi Heavy Industries, Japon, et l’Université d’Iwate, au Japon, ont relevé ce défi. Comme l’indique le professeur Motosuke, “la détection de la contrainte de cisaillement et de sa direction sur des surfaces courbes, où la séparation de l’écoulement se produit facilement, a été difficile à réaliser en particulier sans utiliser une nouvelle technique.”

Leurs travaux ont été publiés dans Micromachines.

L’équipe, dans son étude, a développé un capteur de débit flexible à base de film mince de polyimide qui peut être facilement installé sur des surfaces courbes sans perturber le flux d’air environnant, une exigence clé pour une mesure efficace. Pour ce faire, le capteur était basé sur la technologie des systèmes microélectromécaniques (MEMS). De plus, la nouvelle conception a permis l’intégration de plusieurs capteurs pour la mesure simultanée de la contrainte de cisaillement de la paroi et de l’angle d’écoulement à la surface de la paroi.

Un nouveau capteur mince et flexible caractérise les flux d'air à grande vitesse sur les surfaces courbes

Les industries de l’énergie et des transports, qui s’appuient sur des machines fluides souvent inefficaces et qui laissent une empreinte carbone élevée, sont les principaux contributeurs au réchauffement climatique. Pour améliorer l’efficacité de ces machines, des chercheurs japonais ont maintenant conçu un nouveau capteur qui s’intègre facilement dans les parois courbes des machines à fluide et peut caractériser les séparations de flux à grande vitesse dans différentes directions. Crédit : Masahiro Motosuke de TUS, Japon

Pour mesurer la contrainte de cisaillement sur les parois, le capteur a mesuré la perte de chaleur d’un micro-élément chauffant, tandis que l’angle d’écoulement a été estimé à l’aide d’un réseau de six capteurs de température autour de l’élément chauffant, ce qui a facilité la mesure multidirectionnelle. L’équipe a effectué des simulations numériques du flux d’air pour optimiser la géométrie des radiateurs et des réseaux de capteurs.

En utilisant un tunnel de flux d’air à grande vitesse comme environnement de test, l’équipe a réalisé des mesures de débit efficaces avec une large gamme de vitesses de flux d’air de (30 à 170) m/s. Le capteur développé a démontré à la fois une flexibilité et une évolutivité élevées. “Les circuits autour du capteur peuvent être retirés à l’aide d’une carte de circuit imprimé flexible et installés à un endroit différent, de sorte que seule une fine feuille soit attachée à la cible de mesure, minimisant l’effet sur le flux environnant”, explique le professeur Motosuke.

L’équipe a estimé que la puissance du réchauffeur variait comme la puissance d’un tiers de la contrainte de cisaillement de la paroi, tandis que la sortie du capteur comparant la différence de température entre deux capteurs placés de manière opposée a démontré une oscillation sinusoïdale particulière lorsque l’angle d’écoulement était modifié.

Le capteur développé a le potentiel pour une large gamme d’applications dans les machines à fluides à l’échelle industrielle qui impliquent souvent une séparation de flux complexe autour de surfaces tridimensionnelles. De plus, le principe de fonctionnement utilisé pour développer ce capteur peut être étendu au-delà des flux d’air subsoniques à grande vitesse.

“Bien que ce capteur soit conçu pour des débits d’air rapides, nous développons actuellement des capteurs qui mesurent le débit de liquide et peuvent être fixés à l’homme sur la base du même principe. De tels capteurs de débit fins et flexibles peuvent ouvrir de nombreuses possibilités”, explique le professeur Motosuke.

Pris ensemble, le nouveau capteur MEMS pourrait changer la donne dans le développement de machines fluides efficaces avec des effets néfastes réduits sur notre environnement.


La mesure en temps réel du débit d’air à grande vitesse est 20 fois plus rapide que les méthodes conventionnelles


Plus d’information:
Koichi Murakami et al, Développement d’un capteur MEMS flexible pour le flux subsonique, Micromachines (2022). DOI : 10.3390/mi13081299

Fourni par l’Université des sciences de Tokyo

Citation: Un nouveau capteur mince et flexible caractérise les flux d’air à grande vitesse sur des surfaces courbes (2022, 27 octobre) récupéré le 27 octobre 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-10-thin-flexible-sensor-characterizes-high-speed .html

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