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Validation de la théorie des rainures minces sur les paliers aérodynamiques

27 février 2020, 07:00
Validation de la théorie des rainures minces sur les paliers aérodynamiques
Validation de la théorie des rainures minces sur les paliers aérodynamiques
Certaines théories sont appliquées sans que leur base soit complètement validée par l’expérience. C’était le cas depuis 1965 pour la théorie des rainures minces qui explique le fonctionnement des paliers aérodynamiques dans les constructions mécaniques. Les pièces tournantes sont supportées par des paliers ou roulements aérodynamiques qui permettent de réaliser des machines tournantes ultrarapides : la partie tournante lévite sur un coussin d’air engendré par la rotation de l’arbre (Crédit photo © EPFL 2020).
Pas de contact, pas de frottement, pas d’usure ! Jürg Schiffmann, responsable du laboratoire de conception mécanique appliquée (LAMD) de l'EFPL de Lausanne voit loin : « Dans mon laboratoire, nous travaillons avec ce système pour développer les systèmes énergétiques de demain. » Les travaux des chercheurs du LAMD comblent un vide laissé dans la littérature scientifique depuis plus de 50 ans par une étude publiée dans Mechanical Systems and Signal Processing.
Selon Eliott Guenat, premier auteur, « les ingénieurs de l’époque se sont satisfaits d’une recherche empirique en voyant que dans les applications qu’ils envisageaient la théorie fonctionnait, mais la situation a changé. Nous développons maintenant de nouvelles formes de pièces mécaniques, plus compliquées et plus audacieuses ».

Sortir de ce qui a été fait jusqu’ici

Pour valider la théorie des rainures minces, un axe sur paliers aérodynamiques de test tournant à 100.000 tours par minute a été soumis à des vibrations pour observer ses réactions, et en déduire la rigidité et la capacité d’amortissement de tels paliers. Comparées aux prédictions de la théorie des rainures minces, les caractéristiques observées révèlent que la théorie surestime un peu les coefficients de rigidité et d'amortissement.
« Les bases sont consolidées, nous pouvons aller de l’avant et sortir de ce qui a été fait jusqu’ici dans l’industrie et la recherche. » Pour les mesures à effectuer lors de nouvelles expériences, il sera fait appel à du fluide réfrigérant, un gaz utilisé dans les pompes à chaleur, avec pour objectif la validation de la théorie dans l’air et dans ces gaz réfrigérants, chimiquement et physiquement différents de l’air.

Une théorie élégamment simple

La théorie des rainures minces est très élégante mathématiquement, mais n’aurait probablement pas été inventée si l’on ne s’était intéressé aux paliers aérodynamiques qu’à l’époque actuelle. « Aujourd’hui, on mettrait nos données dans un ordinateur qui ferait le calcul seul. Même avec sa puissance de calcul, il lui faudrait plusieurs longues minutes pour arriver au résultat, affirme Eliott Guenat. Avec la théorie des rainures minces, on les obtient en quelques secondes. » Maintenant complètement validée, cette théorie pourra être appliquée à des projets novateurs pour concevoir de nouveaux systèmes énergétiques.
 
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