Visite Von Karman

Visite du 25 novembre 2018 à l'Institut von Karman ... un résumé détaillée de Viviane Jardini/Keymolen

Quel est le point commun entre la conquête spatiale, le développement technologique des avions et voitures, le rendement des éoliennes, les nanotechnologies, le confort des piétons en zone urbaine, la sécurité de nos centrales nucléaires et les performances de nos sportifs ? C’est l’étude poussée de la dynamique des fluides réalisée à l’Institut von Karman !

Ce dimanche 25 novembre, nous avons visité l'Institut von Karman de dynamique des fluides (VKI). Il est situé à Rhode Saint Genèse, chaussée de Waterloo. C'est un organisme à but pédagogique et scientifique (non lucratif) de droit belge. Son financement est assuré par l’OTAN, le Service public fédéral de Programmation de la Politique scientifique et par les activités de recherche, de formation et de consultance. Cet institut est issu du Laboratoire aérotechnique de Belgique, conçu autour d'une installation de soufflerie créée en 1928 par Jean Stampe, industriel en aéronautique avec le soutien financier du FNRS (Fonds national pour la recherche scientifique). Lieu de recherche et d'expérimentation, la soufflerie servait aux essais de maquette d'avions.

Après la guerre 40-45, le centre participe à des recherches internationales notamment pour la Sonaca, société belge de construction aéronautique et aérospatiale.

C'est en 1956 que l'institut diversifie ses travaux, lorsque Theodore von Karman, physicien et ingénieur américain (d'origine hongroise) propose d'établir un centre d'excellence dans les installations existantes. En 1963, à la mort de son fondateur, le centre prend le nom d'Institut von Karman.

Equipé au départ pour répondre aux besoins de l’activité aérospatiale, le VKI conserve une pièce d’histoire. A savoir le cœur de la première soufflerie hypersonique d’Europe : provenant d’Allemagne, elle était installée au centre de Peenemünde d’où furent lancés les premiers missiles V1 et V2, puis démontée par les Américains, elle fut installée à Rhode Saint Genèse dans les années 50 et servit encore lors des débuts du VKI. L’Institut n’a cessé d’élargir la panoplie de ses équipements d’essais. Surtout qu’il met ses outils de simulation en dynamique des fluides à la disposition des services de génie civil, de l’industrie, de l’environnement, de recherches pluridisciplinaires.

L’Institut von Karman, est donc une AISBL qui existe depuis 1956. De renommée mondiale, le VKI est spécialisé en dynamique des fluides.

Il est divisé en 3 départements: Mécanique des fluides environnementale et appliquée - Aéronautique et aérospatiale - Turbomachines et propulsion

Ce centre de recherche et d’enseignement situé à Rhode-Saint-Genèse forme chaque année quelque 130 étudiants venus des différents pays de l’Alliance Atlantique. Institut fédéral, ce centre d’excellence emploie une centaine de personnes et effectue des études expérimentales et numériques dans les domaines de l’aéronautique et de l’aérospatiale, des turbomachines et de la propulsion ainsi que de l’environnement et des procédés industriels. Le VKI travaille sur des contrats de recherche pour de nombreuses entreprises (Techspace Aero, Snecma, Umicore, ArcelorMittal, Rolls-Royce…) et organisations internationales (STO/OTAN, Agence Spatiale Européenne, Commission Européenne, …).

Après s'être enregistré, nous rejoignons notre guide, le professeur Thierry Magin et nous pénétrons dans un des hangars. Nous y voyons pas mal d'appareillages dont deux larges tunnels jumeaux et parallèles, qui pourraient aisément avaler une voiture. Longs d’une vingtaine de mètres, mesurant jusqu’à trois mètres de diamètre. Le vent peut souffler dans ces tunnels jusqu’à 100 mètres seconde ! Pourquoi le tunnel est-il si grand ? Par ce qu’on essaie de tester le plus possible à l’échelle 1, que la maquette se rapproche le plus possible de la taille réelle de l’objet. Si la maquette est beaucoup plus petite, on extrapole les résultats du test, par des calculs, pour obtenir les résultats en situation réelle."

Le tunnel "ouvert" a par exemple permis de tester la résistance à l’air de voitures roulant à l’énergie solaire, de trains, ou même celle de la station polaire Princesse Elisabeth, dont la maquette ayant servi aux expériences est encore visible de même que celles du "Caprice des dieux" (le Parlement européen), de la Tour Madou ou autres qui permettent de visualiser les "nuisances "du vent pour les piétons et comment y remédier, soit par l'implantation judicieuse d'arbres, soit par l'ajout de structure(comme par ex. entre les bâtiments du Parlement européen).

Le cycliste australien Cadel Evans est venu lui aussi faire quelques tours de roues dans le tube géant, pour étudier son attitude - quelle est la meilleure position de ses mains sur le guidon - ou sa "traînée" - la pression et la succion du vent chaque fois qu’il change de position - mais aussi son équipement, afin de déterminer à quel point son casque pouvait résister au vent. Cette visite d’un sportif est rare, même si ces souffleries du VKI sont connues dans le monde entier. L’activité principale du centre de recherche, c’est plutôt l’aéronautique (tester des moteurs d’avions) et les tests sur les véhicules spatiaux.

On a aussi étudié le sillage des camions, afin de diminuer les turbulences après leur passage, la résistance au vent de panneaux solaires

Ainsi sa soufflerie subsonique a été employée pour tester un modèle réduit de la station scientifique « Princess Elizabeth ». On a étudié l’action des vents violents et les effets de l’enneigement sur les structures de la base à construire. Par ailleurs, son expertise de la dynamique des fluides, sous forme d’essais en souffleries et de modélisation sur ordinateur, sert aux sciences de la vie (phénomène des écoulements) et au développement des nano-technologies (comportement des micro-structures).

Dans la soufflerie supersonique, d’une puissance de 700 kW, le VKI teste - en mode semi-automatique - des éléments aérodynamiques jusqu’à Mach 2-2,25. Elle a servi à analyser le comportement aéro-acoustique du propergol, en bout de combustion, dans les puissants propulseurs à poudre d’Ariane 5. Pour la fiabilité et les performances du lanceur, il était essentiel de comprendre les instabilités qui se produisaient avant la séparation de l’étage central: elles étaient provoquées par des dépôts de gouttelettes au fond de la structure entourant la tuyère.

Deux outils remarquables au VKI concernent deux simulateurs de vol hypersonique. Une soufflerie sert à étudier le comportement d’une structure jusqu’à Mach 6. Dans l’impressionnante installation « Longshot », on soumet des micro-maquettes de cônes de rentrée jusqu’à la vitesse de Mach 14 pendant quelques millisecondes. Ce sont des milliers de mesures qui sont prises sur 64 canaux différents et qu’il faut analyser. On y a procédé à des essais pour définir, entre autres, la forme que devait avoir la navette européenne Hermès.

Le Plasmatron sert à tester les concepts et les matériaux pour la rentrée à grande vitesse dans l'atmosphère

Cette soufflerie à plasma a été réalisée entre 1995 et 1998 avec un financement conjoint de la Politique scientifique fédérale (3/4) et de l’ESA (1/4). « Cette soufflerie à plasma est la plus puissante de ce type dans le monde et elle a pu établir des records d’échauffement de boucliers thermiques des capsules de rentrée »

« Elle est équipée d’une torche électrique qui, dans un caisson sous vide, produit un jet de plasma de 10.000 degrés K, sur une longueur d’1 m. Les flux de chaleur peuvent atteindre 2.900 kW/m² et porter jusqu’à 800 degrés et pendant une minute, l’échauffement sur l’élément miniaturisé à tester. » Le Plasmatron est employé 3 à 4 fois par jour pour mettre à l’épreuve des concepts et matériaux de protection thermique. Le design de la sonde européenne Huygens, qui a affronté avec succès, en janvier 2005, l’atmosphère dense de Titan autour de Saturne, a été élaboré sur base d’essais dans le Plasmatron.

Notre guide, le professeur Thierry Magin, sorti de l'ULB en 2004, est spécialisé dans le plasmatron (soufflerie plasma).

L'institut se spécialise, outre les recherches aérodynamiques, dans diverses techniques de pointe aussi bien dans les outils de calcul, les ordinateurs que dans les méthodes et programmes.

L'institut a un contrat avec le Centre d'étude de l'énergie nucléaire à Mol pour l'étude et l'expérimentation de techniques et de composants du projet de réacteur MYRRHA.

MYRRHA est un réacteur de recherche flexible piloté par un accélérateur de particules, qui ouvre la voie à d’innombrables technologies et applications prometteuses. MYRRHA apporte une contribution cruciale au problème de la gestion des déchets nucléaires : d’une part grâce au développement de la transmutation comme technique de recyclage et de traitement des déchets hautement radioactifs ; d’autre part, par un usage plus efficace des ressources naturelles d’uranium et donc, une réduction des déchets nucléaires. MYRRHA reprendra également les activités du réacteur BR2(de Mol) au niveau de la production et du développement de radio‐isotopes, indispensables pour le dépistage et le traitement du cancer. MYRRHA contribuera aussi aux objectifs d’une économie à bas carbone par son rôle déterminant dans le développement des réacteurs nucléaires de quatrième génération et des réacteurs de fusion. Selon une étude du SPK (Strategische Projectenorganistie Kempen) sur l’impact socio‐économique du projet, la réalisation de MYRRHA permettra de créer jusqu’à 2.000 emplois durables, directs et indirects.

Vibration et fluidité

Les deux installations construites par le VKI dans le cadre du projet DEMOCRITOS, la table vibrante baptisée SHAKESPEARE et le modèle réduit nommé MYRRHABelle, contribueront directement au design de certains composants de l’infrastructure MYRRHA. Elles apporteront également une réponse scientifique aux questions de sûreté posées par l’agence fédérale de contrôle nucléaire (AFCN).

La table vibrante tridimensionnelle permet la reproduction physique d’une activité sismique. Sur cette table, un modèle réduit de la cuve de MYRRHA et son contenu, sont soumis aux effets de ballottement provoqué par un tremblement de terre. Cette étape est importante dans le développement de MYRRHA afin d’éviter que tout ballotement du liquide n’endommage les structures de la cuve et les composants internes du réacteur.

MYRRHABelle est le modèle réduit à l’échelle 1/5 de la cuve de MYRRHA et de tous ses composants (coeur du réacteur, échangeur de chaleurs, pompes primaires,…). Dans cette cuve, de l’eau est utilisée afin de simuler et d’analyser le comportement du fluide caloporteur. Une circulation non optimale de ce fluide pourrait endommager les composants du réacteur.

Je me suis inspirée de divers articles retrouvés sur internet, pour tenter de décrire au mieux les activités de ce centre réputé. Les photos proviennent aussi bien de l'institut que d'articles parus dans la presse.

Viviane Jardini/Keymolen, secrétaire de l'UAE-BW