Cette image illustre les déformations extrêmes d’un petit rotor équipé de deux pales flexibles, lors de son fonctionnement dans de l’eau.
Les rotors, ou hélices à pales, sont utilisés dans de nombreuses applications pour échanger de l’énergie entre un système mécanique (véhicule, turbine) et le fluide environnant (comme l’air ou l’eau). Ils utilisent deux régimes principaux de fonctionnement. Dans le premier, le fluide est accéléré afin de générer une force de propulsion (pour un avion à hélices ou un bateau) ou une force de portance (pour un hélicoptère ou un drone). Dans l’autre régime, le fluide est ralenti, et l’énergie de son mouvement ainsi extraite est transformée en une autre forme, par exemple en électricité dans le cas des éoliennes ou hydroliennes.
L’interaction entre fluide et rotor génère des forces de rétroaction sur les pales. Si ces pales sont fabriquées avec un matériau flexible (comme le plastique pour les drones), ou si elles ont une très grande longueur (comme pour les hélicoptères ou les éoliennes), elles peuvent alors se déformer, ce qui influence la performance du rotor.
Ces déformations peuvent diminuer son efficacité si la géométrie des pales s’éloigne de la forme optimale, qui est souvent déterminée en supposant que le rotor est rigide et ne se déforme pas. Dans d’autres cas, la flexibilité peut être un avantage, en permettant au rotor d’adapter automatiquement (de façon passive) sa forme à différents régimes d’écoulement auxquels il peut être exposé. Cette possibilité, qui est explorée dans plusieurs études récentes, est particulièrement intéressante pour les rotors de petite taille (par exemple ceux des drones), pour lesquels l’installation de dispositifs mécaniques complexes d’adaptation, similaires à ceux trouvés sur les grands rotors d’éoliennes ou d’hélicoptères, est impossible.
Les déformations de pales flexibles peuvent être très importantes pour un rotor fonctionnant dans un liquide, puisque les forces exercées par le fluide sont proportionnelles à sa densité – celle de l’eau est environ 850 fois plus élevée que celle de l’air.
Déformations sous pression
L’image ci-dessus a été obtenue au cours d’une étude expérimentale visant à explorer le comportement d’un rotor de petite taille (diamètre 17,6 cm) à deux pales rectangulaires flexibles de polyéthylène, en rotation dans un écoulement d’eau. Selon le régime du rotor, déterminé par sa fréquence de rotation, la vitesse de l’écoulement incident et l’inclinaison des pales, des déformations de grande amplitude peuvent apparaître. Dans le cas présent, le rotor tournait à 10 Hz dans un écoulement d’eau d’une vitesse de 18 cm/s, dirigée de haut en bas sur l’image.
L’image montre une superposition de 200 photos individuelles prises pendant la rotation du rotor, quand les pales étaient alignées perpendiculairement à la direction de vue. Elle illustre les déformations de grande amplitude des pales, dues aux forces de pression exercées par le fluide. L’effet éventail des images superposées montre également que ces déformations varient dans le temps ; leur amplitude couvre un large intervalle donné par les extrémités de l’éventail.
L’étude de ces comportements surprenants observés dans des régimes extrêmes de fonctionnement des pales pourra faire émerger de nouvelles idées pour la conception des rotors dans les applications telles que les hydroliennes ou encore les drones sous-marins ou hybrides eau/air.
Cette image fait partie des lauréats du concours Mécapixel 2021.