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LA LETTRE • Juillet 2011

LA LETTRE

Le 46ème Colloqued’Aérodynamique Appliquée,

ou 46th Applied Aerodynamics Symposium,s’est tenu du 28 au 30 mars à Orléans

où il a été accueilli par Polytech’Orléans.L’objectif de ce colloque était axé sur

l’aérodynamique des dispositifs tournantsrencontrés dans de nombreuses applications

où on est amené à distinguer des repèresabsolu et relatif. Les aspects théoriques,

numériques et expérimentaux, relevant de larecherche fondamentale, de la recherche

appliquée et de leur mise en œuvreindustrielle, ont été considérés.

En raison de l’importante plage de nombresde Mach rencontrés, de nombreux

domaines de l’aérodynamique concernantles effets de la compressibilité,

les phénomènes transsoniques,les effets tridimensionnels, la turbulence,

les aspects instationnaires, les effetsthermiques, etc. sont à prendre en compte.

No.6Juillet 2011

Le 46ème Symposium

Aérodynamique

d’Aérodynamique Appliquéeorganisé par la Commission Aérodynamique

NuméroSpécial

2 LA LETTRE • Juillet 2011

PRINCIPAUX THÈMES CONSIDÉRÉS .

par Jean Délery

organisé par la Commission Aérodynamique

L’aérodynamique des corpstournants couvre un vastechamp d’applications inté-ressant les domaines aéros-patial et terrestre et englo-bant les sujets suivants.

Les hélices mettent enœuvre des écoulements al-lant du subsonique au trans-sonique le long des pales,d’où résultent bruit et perted’efficacité.

Les rotors non-carénéset contrarotatifs, ou CounterRotating Open Rotors (CROR),envisagés pour la future gé-nération d’avion de transportde la catégorie court et/oumoyen courriers. Les rotors d’hélicoptèresont encore un défi à la mo-délisation en raison de la forteinteraction fluide structure,des interactions de sillage etde la variation importante du

nombre de Mach entre lemoyeu et l’extrémité des pales.Les turbomachinesmettenten œuvre des écoulementscomplexes du fait de l’intensitédes gradients de pression agis-sant à l’intérieur de volumesréduits et confinés. Les ventilateurs, équipantles automobiles ou bien lesmatériels dont la températuredoit être contrôlée, doivent êtresoigneusement étudiés pour

notamment en limiter le bruit. Les éoliennes sont l’objetde développements impor-tants et diverses configurationsaérodynamiques doivent êtreéprouvées.

Ce domaine de l’aérodyna-mique inclut aussi les avionsavec rotor inclinable (conver-tibles), les turbopompes et di-vers autres types de machinetournante.

Fig.1 - Le 46ème Symposium d’Aérodynamique Appliquée à Polytech’Orléans

Le 46ème Symposiumd’Aérodynamique Appliquée

3LA LETTRE • Juillet 2011

es cinq sessions du sym-posium ont été consacréesaux principaux aspects dusujet général du sympo-sium et présentaient les résultats les plus récents

obtenus dans ce domaine.

SESSION 1: ÉOLIENNES(président : Arnaud Le Pape, Onera)

Dans le cadre des préoccupa-tions actuelles concernant les économiesd’énergie et le développement durable,

les éoliennes suscitent un grand intérêt.Le coût de l’énergie éolienne est en effetinférieur d’environ 40 % à celui de l’éner-gie solaire. Les prévisions montrent qu’en2020, 10 % de l’électricité sera produitepar le vent, ce qui représente environ 5 %du marché mondial de l’énergie.

La conférence pilote a été don-née par Sandrine Aubrun (institutPRISME – Polytech Orléans) sur les per-turbations créées dans les centrales éo-liennes (wind farms) par le sillage deséoliennes qui la composent. Les pertesde puissance dans de telles centrales

sont principalement dues aux interac-tions entre les éoliennes. En effet, l’ex-traction d’énergie cinétique opérée parune éolienne induit un déficit de vitessequi cause une perte d’efficacité pour unemachine placée dans son sillage. Enoutre, la forte turbulence engendrée parla première éolienne est la source d’uneforte fatigue pour celle placée en aval.Ces problèmes sont soigneusement exa-minés à l’institut PRISME à partir d’essaisen soufflerie exécutés en parallèle avecdes calculs dont la conférencière a pré-senté des résultats significatifs (fig. 2).

Le comité scientifique du symposium était composédes membres de la Commission Aérodynamique, du présidentde la Commission Hélicoptère Rogelio Ferrer, du professeur Hol-ger Babinsky de l’Université de Cambridge, du professeur PiotrDoerffer de l’Institut of Fluid flow Machinery de l’Académie po-lonaise des sciences (IMP-PAM) à Gdansk. Le symposium étaitcosponsorisé par l’AIAA et la Royal Aeronautical Society.

DÉROULEMENT DU SYMPOSIUMLes allocutions de bienvenue ont été prononcées

par Youssoufi Touré, Président de l’Université d’Orléans,Christophe Léger, Directeur Adjoint de Polytech’Orléans (enremplacement d’Anne-Marie Joly en mission à l’étranger) etde Christine Rousselle, Directrice de l’Institut PRISME.

L'université d’Orléans, qui se caractérise par sa plu-ridisciplinarité, compte quatre facultés, une école d’ingénieursuniversitaire (Polytech'Orléans), quatre Instituts Universitairesde Technologie, l’IUFM Centre Val de Loire et l'Observatoiredes Sciences de l'Univers du Centre (OSUC). Près de 16000étudiants, dont plus de 2000 étudiants étrangers, fréquententun des sites de l’université. L'université d'Orléans s'est égale-ment développée sur les sites de Bourges, Chartres, Château-roux/Issoudun et dans les antennes de l’IUFM à Blois et Tours.

L'École Polytechnique de l'Université d'Orléans, ouPolytech'Orléans, résulte du regroupement en 2002 de deuxécoles d'ingénieurs, l'ESEM (École Supérieure de l'Énergie etdes Matériaux) et l'ESPEO (École Supérieure des ProcédésÉlectroniques et Optiques). Polytech'Orléans s'est spécialiséedans trois domaines d'excellence:

• Électronique, Informatique, Optique, Plasmas• Mécanique, Énergétique, Matériaux, Mécatronique• Génie civil, Aménagement, Géosciences, Environnement

Polytech'Orléans c'est : 1000 élèves-ingénieurs, 240 ingénieurs diplômés par an, 70 doctorants, 100 ensei-gnants-chercheurs, 50 personnels administratifs et techniques.

Polytech'Orléans c'est aussi six laboratoires associésdont l’institut PRISME et ICARE (Institut de Combustion Aéro-thermique, Réactivité et Environnement).

L'institut Pluridisciplinaire de Recherche en Ingé-nierie des Systèmes, Mécanique et Énergétique, ou institut PRISME est un laboratoire de l'université d'Orléans, labellisépar le Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la re-cherche. Né du regroupement de 5 laboratoires propres del'Université d'Orléans, il emploie 90 enseignants-chercheurs,65 doctorants, 6 personnels techniques et administratifs. Lecontour global de l'activité de l'Institut PRISME se situe dansles Sciences pour l'Ingénieur. Les différentes thématiques derecherche sont portées par 7 Équipes-Projets :• EPM: Énergie, Propulsion, Moteurs• ESA: Écoulements et Systèmes Aérodynamiques• ISS: Images et Signaux pour les Systèmes• MCDS: Modélisation, Contrôle et Diagnostic des Systèmes• MMH: Mécanique des Matériaux Hétérogènes• RES: Risque, Explosion, Structures• SRI: Systèmes Robotisés Interactifs

L'institut PRISME s’étend sur 4 départements de laRégion Centre avec une implantation à Orléans, Bourges,Chartres, Châteauroux, Issoudun.

L A V I E D E L ’ A S S O C I A T I O N

Fig. 2 - Simulation d’une centrale éolienne (S. Aubrun, P. Devinant, G. España, S. Loyer, Y.-A. Muller, F. Tchouaké - Institut PRISME – Polytech’Orléans)Maquette dans la soufflerie Malavard Sillage ondulant d’une éolienne

L


La première conférence (DelftUniversity of Technology) présentait desmesures par PIV (Particle Image Veloci-metry) stéréoscopique autour d’une ma-quette d’éolienne. Les expériences ontété exécutées dans une soufflerie à veinelibre de section octogonale (diamètreéquivalent de 3m) et à une vitesse de30m/s. La maquette testée représenteune éolienne à deux pales d’axe horizon-tal. La PIV stéréo est utilisée pour obtenirles 3 composantes de la vitesse dans desplans disposés le long de la pale. Ces ex-périences ont pour but de qualifier lechamp aérodynamique autour d’une éo-lienne en rotation. (fig. 3)

La seconde présentation (Artset métiers - ParisTech) exposait une mé-thode pour déduire la résultante desforces aérodynamique sur un profil enrotation à partir de la connaissance duchamp aérodynamique. La méthode estbasée sur le théorème de Kutta-Jou-kowsky selon lequel la portance est pro-portionnelle à la circulation autour duprofil, la difficulté dans le cas présentétant de connaître la vitesse de réfé-rence relative. Les expériences présen-tées ont été exécutées dans la souffleriedes Arts et Métiers - ParisTech, le champde vitesse étant déterminé par PIV syn-chronisée. (fig. 4)

La communication suivante(École de Technologie Supérieure de Montréal),était relative à une analyse numérique de lastructure du champ de vorticité émis par lerotor MEXICO selon une technique dite Ac-tuator Surface (AS) method. Dans cette mé-thode, les pales sont représentées par dessingularités surfaciques constituées de dis-continuités de pression et de vitesse et uneméthode 3D du type volume de contrôle etéléments finis est utilisée pour résoudre leséquations de Navier-Stokes avec une adap-tation permettant d’inclure l’action de l’ASsur l’écoulement. L’étude utilise les résultatsobtenus par PIV sur le rotor tripale MEXICO.Ces résultats permettent de juger de la



(Suite)

Fig. 3 - Mesures par PIV stéréo sur un rotor d’éolienne à axe horizontal (B. Akay, D. Micallef, C.J. Simaõ Ferreira, G.J.W. van Bussel - Delft University of Technology)Montage expérimental Plans de mesure le long de la pale

Fig. 4 - Champ de vitesse autour d’une pale d’éolienne (I. Dobrev, F. Massouth - Arts et métiers - ParisTech)Calcul Mesures PIV


capacité de la méthode à prédire correc-tement la formation et l’évolution du sil-lage en aval d’une éolienne. (fig. 5)

La dernière communicationprésentée dans le cadre de cette session(Arts et métiers - ParisTech) portait surune méthode de surface active appliquéeà un rotor d’éolienne. La simulation nu-mérique de l’interaction entre plusieurséoliennes est encore techniquement im-possible en raison des limitations de lapuissance de calcul. Les modèles hy-brides sont composés de deux modules:dans le premier le rotor est remplacé pardes efforts surfaciques et de volumes etun code CFD calcule le champ de vitessedans le domaine considéré ; le secondmodule met en œuvre une méthode diteélément de pale (Blade Element Methodou BEM) pour déterminer les forces ap-pliquées au rotor. (fig. 6)

SESSION 2: HÉLICESET VENTILATEURS(Président: Pascal Renaud, Ratier-Figeac)

La conférence pilote était don-née par Zoubir Zouaoui (Glyndwr Univer-sity) sur la comparaison entre leséoliennes à axe horizontal et à axe vertical(fig. 7). Plusieurs agencements géomé-triques d’éoliennes à axe vertical ont étédéveloppés à partir de simulations numé-riques. Ces études ont montré qu’en raison de leur robustesse dynamique,leur insensibilité à la direction du vent,leur fonctionnement peu bruyant etcomp te tenu d’un profilage aérodynamique


Fig. 5 - Champ de vorticité émis par le rotor MEXICO (S.-P. Breton, C. Sibuet Watters, C. Masson - École de Technologie Supérieure de Montréal)

Fig. 6 - Efforts Aérodynamiques sur un rotor d’éolienne(I. Dobrev, F. Massouth - Arts et métiers - ParisTech)

Coefficient de force normale Coefficient de force tangentielle

Fig. 7 - Différents types d’éoliennes à axe vertical(Z. Zouaoui, R. Grant - Glyndwr University)


judicieux, ces éoliennes sont en mesure d’occuper une niche trèsprofitable dans le marché des éoliennes à usage domestique.

La première communication de cette session (Delft Uni-versity of Technology) portait sur une analyse par une méthodenon intrusive des charges aérodynamiques sur une pale d’héliced’avion. Les mesures PIV du champ de vitesse autour de la paleont été effectuées dans une soufflerie basse vitesse, la pale fonc-tionnant en régime transsonique. La répartition de pression sur lapale est déduite des mesures de vitesse par intégration de l’équa-tion du mouvement avec un algorithme de reconstruction de Pois-son. Ensuite, les répartitions de pression et de vitesse sontintégrées pour obtenir la résultante des efforts aérodynamiques.Le désaccord PIV - CFD est d’environ 10 % sur la portance. (fig. 8)

La deuxième communication (Royal Military Academy/VKI/ECL)était relative à une étude aérodynamique d’une hélice à bosse(humpy propeller). L’optimisation aérodynamique et acoustiquedes hélices pour grande vitesse conduit à des géométries de palecomportant une région de corde plus importante entouré de ré-gions de corde plus réduite. Les calculs aérodynamiques utilisentune simulation RANS autour d’une seule pale, l’hélice complèteétant simulée par des conditions aux limites cycliques. Le post-traitement des données aérodynamiques permet ensuite de déter-miner le niveau sonore perçu à différents endroits en se basant surl’analogie acoustique de Lighthill proposée par Ffowcs Williams -Hawking (fig. 9).

La présentation suivante (Onera/Polytech’Orléans) portaitsur la validation de la prévision de la charge 1P d’une hélice (fig. 10).La charge 1P est la composante de force contenue dans le plan de rotation de l’hélice qui apparaît quand celle-ci tourne dans unécoulement non-homogène et non uniforme. Dans cette étude, la

Fig. 8 - Tourbillon d’extrémité de pale d’une hélice d’avion(D. Ragni, B. W. Van Oudheusden, F. Scarano - Delft University of Technology)

Fig. 9 - Iso-pression et iso-vorticité sur une pale à bosse et une pale droite(B. G. Marinus, W. Bosschaerts, M. Roger - Royal Military Academy/VKI/ECL)

Pression – hélice A Vorticité – Hélice A

Pression – hélice B Vorticité – Hélice B

Hélice dans la soufflerie S1MA de l’Onera

Vitesse induite normale au disque héliceFig. 10 - Charge 1P sur l’hélice APIAN

(B. Ortun, R. Boisard, S, Roulland - Onera/Polytech’Orléans)



(Suite)


charge 1P apparaissant pour une hélice enincidence a été évaluée à partir de calculsutilisant l’approche URANS (UnsteadyReynolds Averaged Navier-Stokes). Les ré-sultats sont comparés à des données ex-périmentales obtenues dans le cadre duprojet européen APIAN pour une hélice à6 pales fonctionnant dans un domaine devol s’étendant du bas subsonique (Mach0,2) au transsonique (Mach 0,7)

La quatrième communication(Université de Strasbourg/ISL), présentaitune étude aérodynamique de pales tour-nantes, en liaison avec le développementde micro véhicules aériens. La principaledifficulté rencontrée dans la modélisationest de localiser le sillage de la voiluretournante. Dans la méthode proposée, lanappe de sillage est positionnée en dé-terminant les efforts auto-induits et ceuxinduits par la voilure par résolution d’unproblème de Neumann. On procède paritération jusqu’à ce qu’un état d’équilibresoit atteint. (fig. 11)

La cinquième communication(Université de Sherbrooke) avait pourobjet une simulation numérique d’unventilateur de voiture en présence d’undispositif obstructeur destinée à dimi-nuer le bruit. On précède par résolutiondes équations de Navier Stokes moyen-nées (approche RANS pour ReynoldsAveraged Navier-Stokes) en stationnaire,

puis en instationnaire afin de prédire lechamp aérodynamique et les forcesfluctuantes sur les pales. Dans un pre-mier temps, on considère un écoule-ment amont uniforme et stationnaire ;puis la condition d’entrée uniforme estremplacée par en écoulement avec gra-dient de vitesse radiale et un calcul ins-tationnaire est exécuté (fig. 12).

La dernière présentation decette session (Université de Sherbrooke)portait sur la simulation numérique insta-tionnaire d’un ventilateur basse vitesse envue de prévisions aéroacoustiques. Lebruit de raie et large bande du système deventilation est engendré par la réflexiondes perturbations de l’écoulement par lespales et les accidents des parois du diffu-seur (volute). La présente étude étaitbasée sur une simulation Navier-Stokesinstationnaire (URANS) pour capturer lesperformances du ventilateur ainsi que les principales structures instationnaires.

Le bruit large bande est déduit soit enadaptant le modèle d’Amiet, soit en ré-solvant l’équation de propagation desondes acoustiques avec un terme sourcefourni par l’analogie de Ffowcs-Williamset Hawking. (fig. 13)

Cette première journée a étéconclue par une réception offerte par lamunicipalité d’Orléans dans le magnifiqueHôtel Groslot (fig. 14). Madame Béatrice

Barruel, Conseiller Municipal déléguépour l’Enseignement Supérieur, l’Univer-sité et la Recherche, a prononcé une allo-cution où elle a souligné l’importanced’Orléans en tant que pôle universitaire etscientifique. En réponse, Jean Délery a re-mercié la ville d’Orléans pour la qualité deson accueil, le colloque d’aérodynamiqueappliquée de 2000 s’étant déjà déroulé àPolytech’Orléans (alors ESEM).


Fig. 12 - Topologie détaillée du sillage d’un ventilateur (S. Moreau,M. Sanjose, S. Magne, M. Henner - Université de Sherbrooke)

Fig. 13 - Cartographie des pertes calculées dans la volute d’un ventilateur(M. Sanjosé, S. Moreau, T-C. Koné, Y. Mercadier - Université de Sherbrooke)

Fig. 14 - réception à l’Hôtel de Ville d’Orléans (de gauche à droite : Jean Délery,Béatrice Barruel, conseillère municipale, George Meauzé, Anne Venables)

Fig. 11 - Sillage tourbillonnaire d’une pale tournante (T. Belat, P. Gnemmi, P. Helluy - Université de Strasbourg/ISL)


SESSION 3:TURBOMACHINES(Président: Olivier Domercq, Snecma)

La conférence pilote de cetteimportante session a été donnée par SamiGirgis, de Pratt & Whitney Canada, sur lethème des défis aérodynamiques rencontrésdans la technologie des petits moteurs aé-ronautiques. Après une présentation dupaysage très compétitif entre fabricants,l’exposé s’est focalisé sur une série de dé-veloppements récents dans le domainede l’aérodynamique pour faire face auxdéfis du temps présents. Ces exemplesincluaient le couplage et l’optimisation del’écoulement principal et des systèmesd’air secondaires, les effets climatiques in-cléments, la prévision du bruit, l’explorationpar calcul de géométries et de formulesavancées et enfin la contribution à la vali-dation du moteur lui-même.

Le premier papier de la session(Onera/Arts et Métiers - ParisTech) avaitpour objet la simulation numérique d’écou-lements de turbomachines transsoniquesutilisant un schéma dit Residual Basedcompact (RSB) implanté dans le code elsAde l’Onera. L’objectif de l’étude est double:prouver l’applicabilité du schéma à desconfigurations de turbomachine réalistes,démontrer l’intérêt d’un schéma de hauteprécision pour prédire l’écoulement et les

pertes dans les turbomachines modernes.Le schéma a été récemment étendu pourrésoudre des problèmes bidimensionnelset tridimensionnels stationnaires et insta-tionnaires. Dans l’application présentée, leschéma RSB du troisième ordre est appliquéà un écoulement de turbomachine trans-sonique et tridimensionnel. Le premier casest l’écoulement transsonique à travers leNASA Rotor 37, le second cas est l’étagede turbine haute pression VKI Brite (fig. 15).

Le deuxième exposé (CER-FACS/Turbomeca/VKI) portait sur l’appli-cation des approches RANS et LES (LargeEddy Simulation) pour la prévision desécoulements complexes dans les turbinesà gaz. Deux solveurs ont été examinés: unsolveur structuré multi-domaines (elsA) et

un solveur non structuré (AVBP). Les ap-plications concernent un canal de refroidissement interne à nombre de Rey-nolds modéré et un passage inter-aubetridimensionnel de compresseur transso-nique (le cas test bien connu du rotor 37de la NASA). D’autres phénomènes com-plexes sont aussi considérés, tels que lesflux thermiques et les tourbillons dans uncanal d’alimentation de turbine (fig. 16).

La communication suivante(Onera) présentait une simulation LES desflux de chaleur pariétaux dans une turbinehaute pression, avec prévision de la tran-sition laminaire-turbulent. Les calculs LESont été exécutés avec le code elsA, la tur-bulence de sous maille étant représentéepar le modèle de Wale. Le maillage repré-sente 10 % de la largeur de l’aube et com-

prend 29 millions de points. L’approchede Smirnov est utilisée pour engendrerune turbulence amont. Les deux cas testsconsidérés sont les cas MUR129 etMUR235, la turbulence initiale étant res-pectivement de 1 % et 6 % (fig. 17).

La présentation suivante (Uni-versité de Sherbrooke) concernait la concep-tion de turbomachines par une nouvelleméthode basée sur l’équation pour l’équi-libre radial, méthode utilisée en substitut àla résolution très coûteuse des équationsde Navier-Stokes (fig. 18). Dans cette ap-proche, l’écoulement tridimensionnel sta-tionnaire est décomposé en un écoulementméridien (surface S2) et un écoulementd’aube à aube (surface S1). Ce dernierfournit la déflexion et les pertes induitespar le profil pour le premier. On considère

Fig. 16 - Cas test NASA Rotor 37. Gradients de densité. (N. Gourdain, R. Fransen, E. Collado, A. Gomar, L. Gicquel, T. Arts - CERFACS/Turbomeca/VKI)

Pré-turbulence 1 % Pré-turbulence 6 %Fig. 17 - Canal de turbine haute pression. Écoulement instantané. Gradients de densité

(J. Riou, V. Brunet - Onera)

Fig. 15 - Écoulement dans le rotor NASA37.Lignes iso-Mach (B. Michel, P. Cinnella,

A. Lerat, A. Benyahia, L. Castillon -Onera/Arts et Métiers - ParisTech)



(Suite)

Méthode de l’écoulement méridien (through-flow) Calcul EulerFig. 18. - Écoulement dans un canal de machine centrifuge.

(S. Moreau, G. Meauzé, D. Lallier-Daniels, Y. Mercadier - Université de Sherbrooke)


ainsi un écoulement moyen contenu dansun plan méridien qui est supposé axisy-métrique, stationnaire et non visqueux (lespertes dues à la viscosité sont comprisesdans le modèle de perte par le profil). Lesapplications vont des ventilateurs bassevitesse aux compresseurs et turbines hautevitesse pour moteurs d’aviation.

La cinquième communication(Andheo/Snecma/Altran) portait sur uneétude, au moyen du code elsA, de l’effetd’une distorsion de pression d’arrêt sur lamarge de pompage d’une soufflante. Dansune première étape, le champ de la machinesans distorsion a été étudié au moyen dediverses approches numériques et modèlesde turbulence. Finalement un modèle àdeux équations, avec termes bas Reynolds,a été utilisé. On a ensuite considéré unedistorsion purement radiale permettantdes calculs stationnaires puis une distorsioncirconférentielle nécessitant des calculstridimensionnels instationnaires (fig. 19).

Le dernier papier de cettelongue session (Snecma/Onera) concer-nait une utilisation de la CFD dans la re-cherche d’amélioration des performancesdu compresseur haute pression Create(LMFA, École Centrale Lyon (fig.20).Parmi les moyens utilisés dans ce but,ont été considérés : l’amélioration de laforme des profils d’aube par une stratégied’optimisation prenant en compte ungrand nombre de paramètres, l’emploide générateurs de tourbillon d’usagecourant sur les ailes d’avion, le clocking,avantageux pour les turbines, dont onétudie ici l’application à un compresseur(étude rendue possible par la puissance

de calcul), l’utilisation d’aubes en tandemou en deux parties sur les machinesaxiales.

SESSION 4:SYSTÈMESCONTRAROTATIFSET TURBOMACHINES(Président: Damien Prat, Airbus)

La conférence pilote de cettesession a été donnée par Guy de Spiegeleer(Safran - Snecma) sur le sujet: étudesSafran sur l’open rotor dans le cadre duprogramme de R & D européen sur desmoteurs aéronautiques plus verts. Safrancoordonne la collaboration entre les indus-tries et les instituts de recherche européensà propos des études sur les soufflantes(projets SilenceR, Vital, Dream). Concernant

les études sur les open rotors, plusieursprogrammes sont identifiés pour appuyerles nouveaux concepts en aéroacoustiqueet le démonstrateur (Dream, Clean Sky,CROR). La présentation était centrée sur leplan de travail de Dream concernant laconception et les essais des pales de l’openrotor (essais exécutés en Russie) (fig. 21).

En raison du nombre de pré-sentations, une partie de la session 4est encore consacrée aux turbomachines.Suite aux préoccupations actuelles dedéveloppement durable et de diminutionde l’impact sur l’environnement, lesCROR (Contra-Rotating Open Rotor)connaissent un regain d’intérêt en raisonde leur très haut taux de dilution quileur confère une efficacité propulsiveélevée. Le premier exposé (DLR) portait

sur l’impact de l’installation sur les per-formances à basse vitesse d’un CROR-pousseur et l’émission de bruit. L’analysecouplée aérodynamique-aéroacoustiqueutilise le code DLR TAU pour les calculsURANS et le code DLR APSIM pour ladétermination subséquente du bruit émis,cette procédure en chaîne ayant déjàété appliquée avec succès pour des hé-lices et des rotors d’hélicoptère. La si-mulation a été effectuée pour des condi-tions de décollage au niveau de la mer àMach 0,2 à incidence nulle (fig. 22).

La seconde communication (Arts et Métiers – ParisTech) avait pour sujetune étude expérimentale d’un ensemblecouplé de deux ventilateurs à veine guidée.Le dispositif a été conçu à l’aide du pro-gramme MFT (Mixed Flow Turbomachinery)


Fig. 19 - Effet du jeu d’extrémité d’aube. Plages iso-Mach dans un plan de coupe radial (T.Soubriè, J. Talbotec, L. Brou - Andheo/Snecma/Altran)

Fig. 20 - Le banc compresseur Create(A. Pesteil, D. Cellier, V. Perrot,O. Domercq - Snecma/Onera)

Fig. 21 - Du turboréacteur au moteur à hélice (Guy de Spiegeleer - Snecma)

CROR isolé. Champ acoustique proche CROR installé. Champ acoustique procheFig. 22 - Bruit engendré par un CROR (A. Stuermer, J. Yin - DLR)


basé sur une méthode de conception inverse pour les aubages.Chaque ventilateur a son propre moteur, ce qui permet defaire varier les vitesses de rotation indépendamment. L’instal-lation permet l’emploi de la LDA (Laser Doppler Anemometry)et de la PIV ainsi que des mesures de pression instationnaireset acoustiques (fig. 23).

L’exposé suivant (ISAE) présentait une étude de l’in-fluence des paramètres de conception sur les performances envol stationnaire de rotors contrarotatifs placés dans un carénagede grande longueur, le dispositif étant destiné à un micro véhiculeaérien (Micro Aerial Vehicle ou MAV). Les expériences ont montréque le carénage contribuait pour plus de 50 % à la poussée. Ontété ainsi examinés la géométrie du carénage, la position relativedes rotors ainsi que le nombre de rotors (fig. 24).

La présentation suivante (Bertin/ISAE) avait pour thèmel’effet d’une force latérale sur un rotor en incidence, avecapplication à un double rotor coaxial pour mini-UAV du type tailsitter. La configuration analysée ici est un prototype tail sitter (Mi-niREC) développé par Bertin Technologies. Les expériences ontété exécutées dans la soufflerie S4 de l’ISAE. La maquette, fixéeà une balance 6 composantes, a été testée à différentes vitessesd’avancement et différents régimes moteur pour des incidencesallant de 0° à 90°. Une étude numérique a été effectuée enparallèle en exploitant deux modèles théoriques: celui de Ribneret une modification de ce modèle proposée par Young (fig. 25).

La cinquième conférence de la session (TechnicalUniversity of Lodz) avait pour objet la simulation instationnairedu décollement tournant dans une soufflante radiale en pompage.Les calculs ont été exécutés au moyen du code ANSYS CFX surla géométrie de la soufflante DP1.12, modifiée pour éliminerl’influence sur le décollement de la forme de la tuyère d’admissionet du diffuseur d’extraction. Les résultats obtenus sont en bonaccord avec l’expérience (fig. 26).

La communication suivante (Onera) portrait sur la va-lidité du modèle à deux tourbillons pour analyser la dynamiquedes tourbillons d’extrémité d’aube dans les compresseurs(fig. 27). Ce modèle est basé sur l’hypothèse que le carter peut

UAV du type tail-sitter Montage expérimentalFig. 25 - Rotor coaxial pour mini-UAV (G. Grondin, J.-M. Moschetta - Bertin/ISAE)

Fig. 27 - Dynamique du tourbillon d’extrémité d’aube(V. Brion, L. Jacquin - Onera)

Montage expérimental Champ de vitesseFig. 23 - Caractérisation de l’écoulement à la sortie du ventilateur

(H. Nouri, F. Ravelet, C. Sarraf, F. Bakir - Arts et Métiers - ParisTech)

Montage expérimental Effet du nombre de rotors

Fonctionnement stable Limite de pompage Pompage

Fig. 26 - Écoulement

dans une soufflante radiale

(W. Kryllowicz, G. Liskiewicz -

Technical University of Lodz)



(Suite)

Fig. 24 - Performance d’un rotor caréné en vol stationnaire(C. Huo, R. Barènes, J. Gressier, G. Grondin - ISAE)


être remplacé par un tourbillon image dans le cadre d’une ap-proche non-visqueuse. Dans la présente étude, une configurationproduisant une paire de tourbillons contrarotatifs, où une plaqueséparatrice pouvait être insérée, a été analysée expérimentalementpar emploi de la PIV. Les résultats obtenus montrent que lesdeux écoulements sont en fait significativement différents.

Le dernier exposé de la session 4 (Onera) avait pourobjet une étude de l’écoulement d’extrémité d’aube par unmodèle numérique hybride RANS/LES, ici le modèle DDES quiest une version modifiée du modèle DES (Detached Eddy Simu-lation). La configuration calculée est la grille de compresseurétudiée expérimentalement à Virginia Tech consistant en 8 aubeset des parois immobiles ou en translation. Les calculs ont étéexécutés avec le code elsA, l’intégration dans le temps étant ef-fectuée avec un schéma du second ordre et avec le schémaspatial AUSM (Advection Upstream Splitting Method) (fig. 28).

Cette session a été conclue par la remise du prix de lameilleure communication au 45ème Symposium d’Aérodyna-mique Appliquée à Abdelkader Benyahia et René Houdevillepour leur communication intitulée Transition prediction in transonicturbine configurations using a correlation-based transport equationmodel (fig. 29).Ce prix décerné chaque année par la CommissionAérodynamique de la 3AF récompense le contenu scientifique,l’excellence de l’exposé oral et la qualité de la version écrite.Notre ami René Houdeville, parti depuis peu à la retraite, n’a puparticiper à cette remise. Tous nos vœux l’accompagnent pourcette nouvelle étape de sa vie.

Enfin, cette journée particulièrement chargée, a étécouronnée par le traditionnel banquet amical organisé enSologne dans un cadre champêtre très agréable (fig. 31). Lerepas fut précédé par une aubade donnée par une compagniede sonneurs de trompe de chasse en grande tenue (fig. 30).


Paroi du carter immobile Paroi du carter mobileFig. 28 - Formation du tourbillon en extrémité d’aube (J. Riou- Onera)

Fig. 29 - Abdelkader Benyahia reçoit le prix de la meilleure communicationdes mains du président de la Commission Aérodynamique

Fig. 30 - Aubade de trompes de chasse à l’Orée des Chênes

Fig. 31 - Banquet à l’Orée des Chênes.De gauche à droite : Séverine Musseau (3AF), Debbie Leusink (Eurocopter), Christian Masson (ETS Montréal), Christine Rousselle (PRISME).

SESSION 5:ROTORS D’HÉLICOPTÈRE(Présidente: Blanche Démaret, Onera)

La conférence pilote de cettesession a été donnée par Laurent Scan-napieco, d’Eurocopter, sur le sujet: utili-sation industrielle de la CFD pour le déve-loppement des hélicoptères. L’exposés’appuie sur une application au derniermodèle développé par Eurocopter, l’EC175. Les aspects suivants ont été consi-dérés: l’aérodynamique interne (conduitd’alimentation du moteur et système derefroidissement), l’aérodynamique externe(coefficients aérodynamiques du fuselage,effet de la coupole de rotor (rotor cap),prédiction de la traînée du moyeu durotor), l’aérothermique (interaction moteurfuselage, ingestion de gaz chauds) (fig. 32).

Le sujet de la première pré-sentation de la session 5 (DLR) portraitsur une méthode de prévision semi-em-pirique de la transition laminaire-turbulentavec application à un rotor isolé en volstationnaire. Des critères tels la méthodeAHD, tenant compte des instabilités deTollmien-Schlichting et de la turbulenceamont, ou bien encore le critère deMichel, ont été implantés dans le solveurFLOWer du DLR. Un cas test bidimen-sionnel et le cas d’un rotor tridimensionnelen vol stationnaire ont été considérés.L’effet de déformation élastique de lapale est pris en compte par un couplagefaible CFD/CSD (fig. 33).

La seconde communication(Onera) avait pour sujet la prévision ducouple sur un rotor en vol stationnairepar utilisation de la philosophie champlointain, avec décomposition entre ré-sultats physique et parasites (spurious).La décomposition de la traînée d’un rotorconduit à distinguer un couple d’onde(traînée d’onde pour un avion), un couplevisqueux (traînée visqueuse) et un coupleinduit (traînée induite). Le cas du rotordiffère de celui de l’avion en ce sens quepour l’avion on utilise des équations avecla vitesse relative alors que pour le rotoron considère la vitesse absolue projetéedans un système relatif. La méthode aété appliquée à un rotor quadri-pale pourdifférentes vitesses de rotation (fig. 34).

La présentation suivante (Uni-versity of Liverpool) concernait l’optimi-sation d’une extrémité de rotor en vold’avancement. L’approche CFD est icicombinée à un méta-modèle basé surun réseau de neurones artificiels (ArtificialNeuron Network ou ANN) et une tech-nique d’optimisation basée sur un algo-rithme génétique (Genetic Algorithm ouAG). Déjà utilisée pour les ailes en trans-sonique, la méthode est ici appliquéepour optimiser le vrillage linéaire d’un

Fig. 32 - Étude de l’implantation du moteur sur hélicoptère(L.Scannapieco. L. Sudre, S. Borie, P. Alliot, S. Finck - Eurocopter)

Fig. 33 - Position de la transition laminaire-turbulentsur une pale d’hélicoptère en vol stationnaire (C. Heister - DLR)

Fig. 34 - Étude du tourbillon d’extrémité de pale. Effet de maillage (S. Verley - Onera)

Roto r en vo l s t a t i onna i re

Pa le i so l ée

Maillage grossier Maillage moyen Maillage fin

Maillage grossier Maillage moyen Maillage fin



(Suite)


rotor en vol stationnaire et est ensuiteappliquée à l’optimisation d’un rotor an-hedral (extrémité avec dièdre négatif) envol d’avancement. Dans chaque cas, unefonction objectif spécifique est créée entant que critère à partir d’une sélectionde résultats CFD. Le modèle est ensuiteutilisé pour évaluer cette fonction objectifen vue de l’optimisation (fig. 35).

La communication suivante(Eurocopter/DynFluid) avait pour objet lavalidation industrielle d’un modèle deturbulence au second ordre pour le calculdes tourbillons d’extrémité de pale. Laprévision de ces tourbillons exige en effetl’emploi de modèles de turbulence ausecond ordre (Reynolds-Stress Modelsou RSM) afin de tenir compte des effetsde rotation et de courbure sur la turbulenceainsi que de la forte anisotropie. Le travailprésenté consiste en une comparaisonentre un modèle de turbulence [k-l] aveccorrection SST de Menter et hypothèsede Boussinesq et le modèle RSM deSpeziale, Sarkar, Gatski (SSG) avec l’équa-tion pour ω de Menter. (fig. 36)

Le sujet du papier suivant(IRPHE) portait sur le développementspatio-temporel des instabilités dans lestourbillons hélicoïdaux. Plusieurs typesd’instabilités peuvent se produire dansles tourbillons hélicoïdaux, à savoir : uneinstabilité elliptique tridimensionnelle etune instabilité d’appariement (pairing) bi-dimensionnelle. Ce travail se concentresur le développement d’une instabilitépar appariement après avoir éliminé lesautres instabilités. Le sillage hélicoïdalest représenté par une suite d’anneauxtourbillonnaires de révolution. Les insta-bilités sont caractérisées en détail en ré-solvant les équations de Navier-Stokes li-néarisées pour les perturbations (fig. 37).

La communication suivante(LIMSI/Université Pierre et Maris Curie)avait pour sujet la DNS (Direct NumericalSimulation) et les tourbillons hélicoïdaux.Le travail propose un code numériqueoriginal simulant le développement


Fig. 35 - Optimisation de l’angle de flèche en extrémité de pale. Répartitions de portance et de moment (C. S. Johnson, G. Barakos - University of Liverpool)

Fig. 37 - Schéma de tourbillons utilisé pour la modélisation (H. Bolnot, S. Le Dizès, T. Leweke - IRPHE)Tourbillon hélicoïdal Suite d’anneaux tourbillons

Fig. 36 - Prévision du tourbillon d’extrémité de pale. Influence du modèle de turbulence(D. Leusink, D. Alfano, P Cinnella - Eurocopter/DynFluid)

LA LETTRE • Juillet 2011 13


instationnaire d’un écoulement visqueuxhélicoïdal. La condition de symétrie héli-coïdale permet de ramener les équationsde Navier-Stokes tridimensionnelles à unproblème bidimensionnel instationnaire.

La procédure de résolution est adaptéed’une formulation vitesse/tourbillon surun maillage polaire et utilise les modesazimutaux de Fourier avec emploi de dif-férences finies dans la direction radiale.

Le code prend en compte les effets detorsion et de courbure à partir de la condi-tion de symétrie hélicoïdale, mais la ré-solution est de type bidimensionnel cequi permet un grand nombre de pointsde maillage (fig. 38).

La dernière présentation de cettesession (Onera) était consacrée à une ap-plication de la technique de confinementde vorticité à la simulation d’un sillage derotor. Le calcul des sillages tourbillonnairesest un problème difficile en raison du ca-ractère dissipatif des schémas numériquesqui fait que le sillage est diffusé bien plusrapidement par la viscosité numériqueque par la viscosité réelle. La techniquede confinement de vorticité (Vorticity Confi-nement ou VC) proposée par Steinhoff apour objectif de remédier à cet inconvé-nient. Le terme de confinement ajoutéaux équations se comporte comme unfacteur anti-diffusion dans le calcul si bienque les structures confinées se relaxentvers un état d’équilibre qui peut être trans-porté sans diffusion de la solution. Latechnique VC adaptée aux rotors d’héli-coptère a été implantée dans le code Cas-siopé dérivé du solveur elsA et appliquéeà des pales d’hélicoptère et des rotors envol stationnaire et en descente (fig. 39).

VISITEDE LA SOUFFLERIEMALAVARDDE L’INSTITUT PRISMEET DES LABORATOIRESD’ICARE

L’axe Écoulements et SystèmesAérodynamiques (ESA) fait partie du pôleF2ME du laboratoire PRISME. Il se com-pose actuellement de 15 personnes dont9 permanents. L’axe ESA développe desactivités d’analyse physique, de modéli-sation et de contrôle d'écoulements ci-saillés, les objectifs visés étant:• Contrôle des écoulements cisaillés.• Analyse de la dynamique tourbillonnaireet des interactions tourbillonnaires.• Analyse et modélisation de la transitionet de la turbulence en situations horséquilibre en interaction avec la paroi.• Analyse et modélisation de la couche li-mite atmosphérique• Étude des systèmes aérodynamiquestournants (éoliennes, rotors…).

Ces actions de recherche béné-ficient d’installations expérimentales dehautes technicités: la grande soufflerie àretour Lucien Malavard (fig. 40) et unepetite soufflerie de type Eiffel. Ces installationssont équipées de moyens de mesures clas-siques et optiques (PIV, LDA, fils chauds,capteurs de pression moyenne ou insta-tionnaire, balance aérodynamique) et demoyens d’acquisitions et de traitement de

Fig. 38 - Vorticité durant l’appariement de deux tourbillons hélicoïdaux(I. Delbende, M. Rossi, B. Piton - LIMSI/Université Pierre et Marie Curie)

Fig. 39 - Comparaison des géométries du sillage tourbillonnaire. Effet du schéma numérique(M. Costes, T. Renaud, B. Rodriguez - Onera)



(Suite)

Fig. 40 - La soufflerie Lucien Malavard de l’Institut PRISME


données adéquats. L’équipe ESA possèdeégalement des codes de calcul capablesde traiter des configurations complexes etmulti-physiques. Elle mène des travaux encontact direct avec les industries des trans-ports terrestre et aérien ainsi qu’avec lesindustries de l’énergie et de l’environnement.Elle collabore fortement avec plusieurs la-boratoires nationaux et internationaux ainsiqu’avec plusieurs départements de l’Onera.L’équipe ESA est impliquée dans deuxprojets européens, une ANR thématiqueet dans plusieurs actions régionales ounationales. Elle participe activement auGDR Contrôle Des Décollements.

Les domaines de recherche del’Institut de Combustion AérothermiqueRéactivité et Environnement (ICARE) centréssur: la combustion, le secteur spatial, lestechniques du vide, l’élaboration et le trai-tement des matériaux, les réactions chi-miques d’intérêt atmosphérique, les dépôtschimiques en phase vapeur. Les applicationsconcernées sont: la production d’énergie,la propulsion, l’élimination des déchets, laprévention des risques industriels, l’impactdes composés naturels et anthropiquesdans l’atmosphère, l’amélioration des pro-priétés des matériaux. ICARE fait partie dela Fédération de Recherche Énergétique -Propulsion - Espace - Environnement(EPEE), avec d’autres laboratoires du CNRSet de l’Université d’Orléans.

Le laboratoire Aérodynamique Raréfiée Compressible Hors Équilibre (fig.41)dispose d’installations permettant de simulerles conditions rencontrées dans la trèshaute atmosphère, ce qui nécessite detravailler à des pressions de gaz résiduellestrès basses et dans de grands volumespour minimiser les effets de paroi. L’instal-lation PIVOINE-2g consiste en une vastechambre cylindrique (4 m×2 m) équipéed’un système de pompage cryogéniquetrès performant capable de maintenir unepression de 10-5 mbar en présence d’unécoulement important et de fortes chargesthermiques. Le banc est utilisé pour tester

des systèmes de propulsion électriques.Le banc NExET est un cylindre plus petit(1,8×0,8 m) équipé d’une cryopompe pourSF6, gaz électronégatif utilisé comme pro-pulseur dans le moteur PEGASES à plasma.Le laboratoire dispose aussi d’un ensemblede souffleries hypersoniques dans desconditions de très basse pression dédiéesaux problèmes de rentrée atmosphérique.

BILAN ET CONCLUSION

Cette année, 64 participants of-ficiellement inscrits ont participé au colloque;parmi eux 14 collègues étrangers venantd’Allemagne, de Belgique, du Canada, desPays-Bas, de Pologne, du Royaume-Uni.La majorité des participants étaient deschercheurs (laboratoires universitaires ouinstituts de recherche), 15 inscrits repré-sentant l’industrie ou une agence gouver-nementale (Airbus, Bertin Technologies,DGA, Downty Propellers, Eurocopter, Pratt& Whitney, Ratier Figeac). Sur les 35 com-munications et conférences pilotes,14 étaient présentées par des organismesétrangers et sur l’ensemble 8 émanaientd’industriels (Bertin, Eurocopter, Pratt &Whitney, Snecma, Turbomeca).

Comme chaque année, de nom-breuses communications étaient le fait dejeunes collègues (dont des doctorants encours de thèse pour qui le colloque estsouvent une première opportunité de pré-senter leurs travaux). Le colloque est ainsiun lieu d’échanges très conviviaux et in-tergénérationnels entre chercheurs et in-dustriels, les contacts étant favorisés parle dîner amical très réussi et les repas demidi pris en commun. Le Comité de pro-gramme encourage vivement les auteursà proposer la version écrite de leur com-munication sous forme d’article dans desrevues scientifiques de haut niveau en fai-sant référence à notre symposium. Cetteannée pour la troisième fois, l'InternationalJournal of Engineering Systems Modellingand Simulation (IJESMS), va consacrer un

numéro spécial à la publication d’une sé-lection des meilleures communications,initiative qui permettra ainsi de valoriserces travaux. Le responsable de cette actionest Bruno Chanetz, de la Commission Aé-rodynamique et membre du comité éditorialde l’IJESMS.

Pour conclure, nos remercie-ments vont à Polytech’Orléans pour laqualité remarquable de son accueil, enparticulier à Azeddine Kourta et Sylvie Ples-sard ainsi qu’à Bernard Masure pour leuraide efficace et amicale. Nous sommesaussi reconnaissants à l’Onera, à la Tech-nopole Orléans-Val de Loire et à NUMECApour leur soutien. Merci plus particulière-ment au personnel des laboratoires del’Institut PRISME et d’ICARE pour le tempsqu’ils nous ont consacré, aux présidentsde session, aux conférenciers et participantsqui ont animé les sessions par leurs nom-breuses questions et bien sûr au Secrétariatexécutif de la 3AF pour la logistique,comme toujours, impeccable.

Le prochain Symposium inter-national d’aérodynamique appliquée seraplacé sous l’égide du centenaire de lasoufflerie Eiffel. Il aura pour thème Windtunnels vs. computation or a joint strategyfor flow prediction et se tiendra du 26 au28 mars 2012 à Paris.


ÉditeurAssociation Aéronautique et

Astronautique de France - 3AF6, rue Galilée, 75016 Paris

Tél. : 01 56 64 12 30Fax: 01 56 64 12 31

Directeur de la PublicationMichel Scheller

Rédacteur en chefKhoa Dang Tran

Comité de rédactionMichel de la Burgade,

Jacques Sauvaget,Jean Tensi, Bernard Vivier.

RédactionTél. : 06 81 88 98 51

E-mail : [email protected]

Khoa Dang Tran,Easy-to-Design

[email protected] BIALEC, Nancy

Dépôt légal : 3e trimestre 2011Crédits Photos :

A notamment participéà ce numéro: Jean Délery.

ISSN 1767-0675Droit de reproduction, textes et

illustrationsréservées pour tous pays

Jean DéleryPrésident de la Commission

Aérodynamique

Fig. 41 - Visite des installations du laboratoire Aérodynamique Raréfiée CompressibleHors Équilibre d’ICARE. Patrick Gnemmi de l’ISL devant le banc PIVOINE2g

Institut PRISME – Polytech’OrléansArts et métiers - ParisTech • Delft University of Technology

École de Technologie Supérieure de MontréalGlyndwr University • Royal Military Academy/VKI/ECL

Onera • Université de Strasbourg/ISLUniversité de Sherbrooke • CERFACS/Turbomeca/VKISnecma • DLR, • ISAE • Technical University of Lodz

Eurocopter • University of Liverpool, • IRPHE LIMSI/Université Pierre et Marie Curie

ANNONCES DES GROUPES RÉGIONAUX ET COMMISSIONS TECHNIQUES/FORMATIONS

COLLOQUES NATIONAUX ET INTERNATIONAUX

Année 2011 Organisateur Lieu Manifestation

Année 2011 Organisateur Lieu Manifestation

3-4 octobre 3AF La Rochelle, France High Energetic Materials (HEM)

3-7 octobre IAF www.iac2011.com Cape Town, South Africa 62nd International Astronautical Congress

13-14 octobre CEAS-ASC/EPFL Lausanne, Suisse 15th CEAS-ASC Workshop, 1st Scientific Workshop of X-Noise EV

25-27 octobreCommission Environnementavec AIAA

Marseille, France Aircraft Noise Reduction (ANERS)

24-28 octobreCEAS - AIDAAwww.ceas2011.org/home.html

Venice, ItalyCEAS 2011 - 3rd CEAS (Council of European Aerospace Societies)Air & Space Conference

1 juillet à 14 h 15 GR Provence EUROCOPTER Marignane

« Analyse des enregistreurs de vol et nouvelles technologiesutilisées dans la conduite des enquêtes de sécurité », une conférence du Dr. Philippe Plantin de Hugues (Bureau d’Enquêtes et d’Analyses)

27 septembre CT Aérodynamique Vernon (27) Visite de Safran-Snecma, Vernon

8 novembre CT Énergétique Paris Atelier « Piles à combustible pour applications aéronautiqueset spatiales »

A N N O N C E S D E S G R O U P E S • C O L L O Q U E S


juillet 2011 numéro la lettre - 3af.fr · obtenus par piv sur le rotor tripale mexico. ces...

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