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  • Les scientifiques confirment enfin une théorie vieille de 50 ans en mécanique

    Le rotor avec roulements lubrifiés par air et système d'agitation © EPFL 2020

    Une expérience menée par des chercheurs de l'EPFL a confirmé une théorie utilisée en mécanique depuis plus d'un demi-siècle, bien qu'elle n'ait jamais été entièrement validée. L'équipe pourrait désormais utiliser la théorie de manière plus audacieuse et plus innovante dans sa quête pour développer des systèmes énergétiques toujours meilleurs.

    Certaines théories sont largement utilisées même si elles n'ont jamais été validées expérimentalement. Un exemple est la théorie dite du sillon étroit, ou NGT, qui explique le fonctionnement des roulements lubrifiés à l'air dans les systèmes mécaniques.

    La théorie a été proposée en 1965 mais, jusque récemment, il n'avait été testé que partiellement ou indirectement. Chercheurs du Laboratoire de conception mécanique appliquée (LAMD) de l'EPFL, basée à Microcity à Neuchâtel, ont maintenant comblé une lacune qui persiste dans la littérature scientifique depuis plus de 50 ans. L'équipe a publié ses résultats dans la revue Systèmes mécaniques et traitement du signal .

    Pourquoi a-t-il fallu si longtemps pour valider la théorie ? "À l'époque, les ingénieurs se sont contentés de constater que la théorie fonctionnait, " dit Eliott Guénat, assistant-doctorant à l'EPFL et auteur principal de l'article. "Mais tout a changé, parce que les pièces mécaniques que nous développons aujourd'hui sont beaucoup plus avancées et complexes."

    La théorie du sillon étroit a été proposée en 1965 par J. H. Vohr et C. Y. Chow, deux ingénieurs de Mechanical Technology à New York, Inc. La théorie explique le fonctionnement des paliers lisses à chevrons, ou HGJBs—un type de roulement lubrifié à l'air qui prend en charge les pièces rotatives dans les systèmes mécaniques. De nombreux types de roulements existent, mais les HGJB sont les plus prometteurs pour le développement de machines tournantes à très grande vitesse car le rotor est soutenu par un coussin d'air généré par l'arbre rotatif. "Ce qui rend les HGJB spéciaux, c'est qu'ils ne causent pas d'usure car il n'y a pas de contact, " explique Jürg Schiffmann, qui dirige le LAMD. « Dans mon laboratoire, nous utilisons cette conception pour développer les systèmes énergétiques du futur."

    Valider la théorie

    Pour valider la théorie du sillon étroit, les chercheurs ont monté un rotor soutenu par plusieurs HGJB sur un banc d'essai, en le mettant en rotation à 100, 000 tours par minute. Prochain, ils ont utilisé un système d'agitateur pour faire vibrer le rotor et ont observé sa réaction. Les observations leur ont permis de calculer les coefficients de raideur et d'amortissement des roulements, qu'ils ont comparés aux prédictions de la théorie. Ils ont constaté que la NGT avait tendance à surestimer légèrement les deux valeurs.

    "Nous avons pu quantifier dans quelle mesure la théorie tient, " dit Guenat. " Maintenant que nous avons renforcé notre compréhension, nous pouvons prendre la théorie et l'appliquer dans l'industrie et la recherche de nouvelles manières."

    Guenat prévoit de mener plus d'expériences pour prendre d'autres mesures. "Au lieu d'utiliser des roulements lubrifiés à l'air, nous allons refaire l'expérience avec du réfrigérant, un gaz utilisé dans les pompes à chaleur, " explique-t-il. " L'idée est de confirmer que la théorie ne tient pas seulement dans l'air, mais aussi dans un milieu aux propriétés chimiques et physiques très différentes.

    Jürg Schiffmann et Eliott Guénat. Crédit :EPFL 2020

    Élégant dans sa simplicité

    La NGT est une théorie mathématiquement élégante qui n'aurait probablement jamais vu le jour si les ingénieurs ne s'étaient intéressés qu'à présent aux roulements lubrifiés à l'air. "Ces jours, nous introduisons nos données dans un ordinateur et laissons le processeur faire le gros du travail, " explique Guenat. " Mais même avec une puissance de calcul moderne, arriver au résultat prendrait plusieurs minutes. Avec NGT, nous pouvons faire la même chose en quelques secondes. » La théorie entièrement validée pourrait avoir des applications innovantes dans la conception de systèmes énergétiques.


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