Etude expérimentale et numérique du comportement d'une lame vibrante présente dans un milieu raréfié

L’ICA est un laboratoire de recherche qui s’attache à l’étude des structures, des systèmes et des procédés mécaniques. Nos secteurs d’activités s’inscrivent dans ceux des industries mécaniques avec une attention particulière accordée aux projets des domaines de l’aéronautique, de l’espace, du transport et de l’énergie. Nos travaux portent généralement sur la modélisation du comportement, l’instrumentation et l’étude de la durabilité des structures ou produits considérés. Une part importante de nos recherches porte sur les matériaux composites, lesquels prennent aujourd’hui une place importante dans les structures.

Les microsystèmes présentent des écoulements de gaz fortement confinés où la raréfaction modifie la dynamique et les transferts thermiques, en particulier dans les régimes instationnaires encore peu étudiés. De nombreux MEMS intègrent des structures vibrantes dont le comportement dépend étroitement des interactions fluide-structure et des effets de pression à l’échelle micro.

Ce projet a pour objectif principal de concevoir, fabriquer et tester une configuration expérimentale pour étudier le comportement d’une structure mobile en présence (ou non) d’un écoulement gazeux (gaz mono-espèce ou mélange de gaz) dans un environnement raréfié.

Une première étude a permis la conception et la fabrication d'un banc expérimental. Il s'agit d'une chambre à vide équipée d'un système de fixation et d'actionnement d'une lame vibrante objet de l'étude. Des moyens de contrôle et d'acquisition permettent de faire varier les conditions de fonctionnement et d'enregistrer le signal de déplacement et de vitesse de la lame vibrante. Des premiers essais ont été réalisés avec succès. Parallèlement, un modèle numérique préliminaire a été développé sous l'environnement de modélisation Ansys Workbench pour étudier l'interaction entre le gaz dans la chambre à vide et la structure mobile (Fluid-Structure Interaction : FSI).

Objectifs :
Dans la continuité des travaux menés, les principaux points à aborder dans ce sujet de recherche sont :

1- Configuration lame simple

• Lancement d’une campagne d’essais complète qui permettra d’obtenir des mesures expérimentales de la fréquence de vibration et du coefficient d'amortissement en fonction de la pression.
• Lancement de l’étude numérique sous Ansys Workbench pour des configurations présélectionnées.
• Comparaison des mesures expérimentales aux données issues de simulations numériques.

2- Configuration lame en amortissement par film mince (squeeze film damping)

• Développement d’un modèle numérique sous Ansys Workbench pour une lame qui vibre en face d’une surface immobile très proche.

Références
[1]    M. Kimber, R. Lonergan, et S. V. Garimella, « Experimental study of aerodynamic damping in arrays of vibrating cantilevers », Journal of Fluids and Structures, vol. 25, no 8, p. 1334 1347, nov. 2009, doi: 10.1016/j.jfluidstructs.2009.07.003.
[2]    A. K. Pandey, R. Pratap, et F. S. Chau, « Effect of Pressure on Fluid Damping in MEMS Torsional Resonators with Flow Ranging from Continuum to Molecular Regime », Exp Mech, vol. 48, no 1, p. 91 106, févr. 2008, doi: 10.1007/s11340-007-9076-2.
[3]    Z.i Zhang, H. Xiang, Z. Shi, “Mechanism exploration of piezoelectric energy harvesting from vibration in beams subjected to moving harmonic loads”, Composite Structures, Volume 179, 2017, pp 368-376.
[4]    H. N. Chamanyeta, A. M. Rashad Fath El-Bab, B. W. Ikua, E. Murimi, “Development of a varying multi-cantilever beam frequency up conversion energy harvester”, Energy Conversion and Management: X, Volume 16, 2022, 100290

Compétences recherchées

• Solides connaissances en mécanique des fluides et vibration. Des connaissances en microfluidique seront très appréciées.
• Bonnes connaissances en calcul numérique seront très appréciées :
  • En mécanique des fluides (Fluent)
  • En mécanique des structures (Ansys Mechanical ou Abaqus)
• Très bonne maîtrise de traitements de données (Matlab). Des connaissances en traitement du signal seront très appréciées.
• Très bonnes capacités de communication écrite et orale en français et en anglais.