Histoire et modélisation du moteur Stirling

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1. Introduction

 

Le Pasteur Robert Stirling est né le 25 octobre1790, à Gloag dans le comté de Perthshire en Ecosse. Il est mort le 6 juin 1878 à Galston, ville située à 30 km environ au sud de Glasgow. Son grand-père paternel fabriquait des batteuses, son grand-père maternel était agriculteur. Il poursuivit de brillantes études à l'université d'Edimbourg de 1805 à 1808. Ensuite, il se tourna vers des études de théologie à l'université de Glasgow pour devenir pasteur. Il se maria le 10 juillet 1819 avec Jean Rankin. Ils eurent sept enfants. Quatre garçons devinrent ingénieurs dans les chemins de fer (Patrick, William, Robert et James), un autre choisit de devenir à son tour pasteur (David). Quant aux deux filles, l'une fit profiter ses frères de ses idées (Jane) et l'autre se consacra au métier d'artiste (Agnes).

La vie de Robert Stirling se déroule durant le dix-neuvième siècle qui voit de nombreuses découvertes scientifiques et techniques. C'est probablement ce bouillonnement d'idées, sa curiosité naturelle et son pragmatisme qui pousseront Robert Stirling à inventer "le moteur à air chaud". Le brevet fut déposé le 27 septembre 1816 et fut effectif le 20 janvier 1817. Le principe de fonctionnement est relativement simple : la combustion est externe, le fluide principal est de l'air à une modeste pression et est soumis au cycle suivant : chauffage, détente, refroidissement puis compression.

A la fin du dix-neuvième siècle, le moteur à combustion interne commençe à s'imposer. Ensuite, viennent les premières applications industrielles de la motorisation électrique.Mais Il a fallu attendre 1938 pour que la société Philips investisse dans le moteur à air chaud, désormais appelé "moteur Stirling".

Des applications furent développées dans le domaine automobile. Un moteur compact de plus de 200 chevaux, avec un rendement supérieur à 30% vit le jour. Malheureusement, pour des raisons de compétitivité, cette application ne rencontra pas le succès escompté. Robert Stirling et son moteur n'ont pas la renommée qu'ils méritent. Il est probable que le vingt-et-unième siècle, avec ses soucis en matière d'énergie et d'écologie, verra la réparation de cette injustice.

Aujourd'hui, des développements se poursuivent : Par exemple, la société Cleanenergy (basée en Suède) concoit et commercialise des moteurs à l'hélium ( au lieu de l'air) associé a un concentrateur parabolique solaire de 10m de diamètre, d'une puissance de 10KW.

Des installations sont en cours dans certaines régions des Etats Unis.

En ce qui concerne les moteurs miniatures, ils ont été utilisés (car réversible) entre autre dans certaines caméras infrarouge analogiques, pour refroidir le détecteur.

2.  Principe du moteur

 Le moteur Stirling est constitué d'un cylindre renfermant du gaz et d'un piston récupérant l'énergie mécanique. L'étude du principe de fonctionnement se fait en 4 étapes:

- les quatre phases élémentaires

- le rôle du déplaceur

- le diagramme Pression-Volume

- le rendement du cycle

On trouve les explications thermomécaniques détaillées sur le site de Pierre Gras : http://www.moteurairchaud.com/index.php

3.  Installation du moteur Stirling sur notre maquette

La figure 1 montre notre installation avec le moteur Stirling, la courroie et l'arbre de transmission, associés à une génératrice et une mini bétonnière.

Figure 1

4.  Rappel Historique "de l'antiquité à nos jours"

 

Sans vouloir faire de l'archéologie, rappelons nous l'évolution du dessin et de la conception de pièces mécaniques:

Jadis, l'on prenait sa planche à dessin et dans les règles du dessin industriel, l'on dessinait une pièce avec cinq vues principales: vue de face, de gauche, de droite, du haut, du bas et éventuellement agrémenté d'une ou deux sections selon la complexité de la pièce. La pièce ainsi dessinée puis côtée était réalisée manuellement par des professionnels de la fraiseuse du perçage, et du tour, et du pliage.

Plus récemment, sont arrivés les outils de DAO (Dessin par Ordinateur), puis de CAO et de CFAO (Conception et Fabrication par Ordinateur) . Il était alors possible de dessiner une pièce, de générer un fichier informatique représentant la pièce et télécharger ce fichier sur des outils à commande numérique comme les centre d'usinage par exemple.

Avec les puissances croissantes des ordinateurs, de nouvelles possibilités sont apparues et l'on a voulu voir les pièces en 3 dimensions avant même qu'elles n'existent réellement.

Ainsi avec des logiciels comme Solidworks, autoCAD, et bien d'autres ( parmi lesquels Blender logiciel libre), il est possible de représenter en 3D une pièce mécanique, un avion, ou un immeuble avant sa construction. On peut "tourner" autour de la pièce pour la voir sous différents angles.

Puis pour des raisons techniques, scientifiques, pédagogiques, cinématographique ou commerciales (publicitaire notamment), on a exprimé, plus récemment, le besoin de mettre du mouvement dans les objets dessinés.Ainsi est arrivé VRML.

5.  Modélisation VRML

Le "Virtual Reality Modelling language" a été donc inventé vers les années 1995 pour permettre le dessin et l'animation d'objets quelconques. Le VRML est à la base de modules graphiques implantés dans des logiciels aussi connus que MATLAB pour visualiser le déplacement d'un objet en 3D, trajectoire obtenue préalablement par simulation.

 

Aujourd'hui le VRML est considéré par certains comme obsolète, désuet et en tout cas largement dépassé.Certes, il y a mieux depuis pour dessiner les objets; les interface graphiques ayant fait beaucoup de progrès.

Cependant, VRML est un language dont l'immense avantage est d'être gratuit et donc utilisable par tous même ceux qui ont peu de moyens. En cela, c'est un outil "développement durable".

Son inconvénient est d'être un language d'informaticien, avec son vocabulaire d'informaticien, que seuls les adepts de JAVA et autre comprennent facilement et rapide.

Pour utiliser VRML, lorsque que l'on a n'a pas la culture informaticienne, il est d'abord nécessaire de se familiariser avec le concept puis d'expérimenter grâce à de nombreux exemples que l'on trouve sur le WEB.

Voici donc ci-après quelques informations utiles pour réaliser quelques modestes animations. Que les puristes me pardonne si le vocabulaire utilisé n'est pas juste sur le plan informatique. Notre culture d'électronicien nécessite quelques adaptations pour la compréhension des concepts élémentaires.

5.1 Informations préliminaires:

Il importe, au moment de la création du dessin, de bien comprendre l'orientation intiale des objets, d'identifier les coordonnées X,Y,Z de chacun, de les regrouper et les hiérarchiser correctement pour éviter la duplication de description et prévoir les mouvements et animation futures,

Avant de démarrer un dessin, on pourra donc par exemple "poser" une boite parallélipédique de dimensions L,l,, p. En étirant successivement une de ses dimensions, on déterminera les axes X, Y ,Z. Ensuite, en faisant une translation sur chaque axe, on déteminera les orientations respectives de chacun. Enfin, en faisant une rotation autour de chacun des trois axes, on trouvera l'origine et l'orientation des angles donnés en radians.

Il est également utile de comprendre comment sont gérer les couleurs des objets dessinés : la couleur d'(un objet est composé des trois couleurs de base: rouge, vert, bleu (R, V, B). Le dosage de chaque couleur est représenté par un chiffre compris entre 0 et 1. Le tableau ci dessous montre la compostion de quelques couleurs usuelles. A chaque objet dessiné on associera donc une couleur sous la forme d'un triplet R,V,B.

Couleur
Rouge
Vert
Bleu
argent
0.75
0.75
0.75
blanc
1
1
1
bleu foncé
0
0
0.5
Gris
0.5
0.5
0.5
Jaune
1
1
0
Noir
0
0
0
Marron
0.5
0
0

5.2 Mise en scène

La mise en scène peut être assez sophistiquée. Mais la plupart du temps, on peut se limiter à définir une couleur (avec un dégradé) pour le fond du ciel et une couleur de sol. Puis, on définit un éclairage ambient et un point de vue (comme si on plaçait une caméra) pour observer la scène.Par exemple, pour définir le ciel, qu'il faut imaginer comme un "sky dome" au dessus de la scène à réaliser, on peut écrire :

DEF fondciel Background {

skyAngle [ 0.8, 1.4, 1.6 ] # 3 angles comme montré en figure 2

skyColor [ 0.1 0.1 0.3, 0.2 0.2 0.4, 0.5 0.5 0.8, 0.7 0.7 0.9 ]} # 4 secteurs formant un dégradé de bleu dans le ciel

DEF vue1 Viewpoint { position 0 50 150 orientation 1 0 0 -0.1 # positionnement d'une camera d'observation

Figure 2

5.3 Dessin des objets

Une description VRML se présente sous forme du fichier "texte" que l'on peut éditer avec n'importe quel éditeur de texte classique type bloc-note.

Le dessin d'objet en 3D se fait dans un repère orthonormé X,Y,Z. Le dessin des objets élémentaires sphère, boite, cone, cylindre se fait dans ce repère en donnant les dimensions normalisées rayon, hauteur par exemple pour le cylindre. Sans autre précision, l'origine de l'objet est considérée en son centre.

EXEMPLE: PATIENCE, CA ARRIVE...

On peut donner à chaque objet dessiné des propriétés de couleurs, brillance, texture, transparence etc, définir un facteur d'échelle et un centre de rotation pour cet objet. Par exemple, la couleur est exprimée par un triplet (R,V,B) Rouge, Vert, Bleu, chaque valeur attribuée à R, V, B variant de 0 à 1.La proportion de Rouge, Vert, Bleu peut ainsi être dosée par le créateur.

EXEMPLE: PATIENCE, CA ARRIVE...

On peut donner un nom à un objet de façon à le réutiliser dans la même scène, sans avoir à dupliquer en totalité les lignes qui le décrivent

EXEMPLE: PATIENCE, CA ARRIVE...

Lorsque l'on dessine un objet, il se place naturellement selon un axe défini par défaut. Pour les besoins de la scène à créer, il est souvent nécessaire pivoter cet objet autrement, il faut lui faire subir une "transformation" sous la forme d'une translation et/ou une rotation.

EXEMPLE:PATIENCE, CA ARRIVE...

On peut ensuite regrouper les objets (par exemple pour leur faire subir ensuite une animation commune et éviter ainsi de répéter les lignes de codes de cette animation inutilement pour chacun des objets). Le rattachement des objets se fait à la manière d'un arbre généalogique: des objets "enfants" sont rattachés à un objet "parent" qui les chapotte

EXEMPLE: PATIENCE, CA ARRIVE...

5.4 Animation des objets

Les objets peuvent être animés de deux façons:

- soit en décrivant les trajectoires (et/ou évolution de couleurs, forme) sous forme de tableau de valeur en utilisant les instructions VRML, Interpolator et Route.

Il faut alors définir la durée de l'animation Tm. Noter que la fonction d'interpolation des mouvements travaille en temps normalisé ou réduit t/Tm. Le temps varie donc de 0 à 1

Puis, il faut construire un tableau dans lequel on indique, par exemple, pour chaque instant discrétisé, les coordonnées x,y,z instantanées de l'objet mis en déplacement.

 

EXEMPLE :PATIENCE, CA ARRIVE...

- soit en décrivant les trajectoires sous forme d'équations mathématiques, dans un sous programme "VRMLscript" ou "Javascript" inclu dans le fichier de description.

Dans ce cas, Il faut "passer" à ce sous programme les variables dont il a besoin pour faire le calcul.

Le "passage par variables" est traduit par les termes eventIn pour passer une variable entrante dans le script et EventOut pour renvoyer un résultat du script vers le programme principal....

Comme dans tout programme, le type de ces variables doit être déclaré préablement. En plus des types classiques "Constante" entier, Réel (SFFloat), d'autre types comme SFVec3f permettent de représenter utilement les coordonnées x, y, z d'un point. et SFColor permet de représenter le triplet R,V,B d'un objet.

 

 

EXEMPLE :PATIENCE, CA ARRIVE...

Attention: Les animations ne sont pas temps réel au sens électronicien: Le fichier VRML n'est pas un fichier exécutable implanté dans un composant électronique, au plus près du matériel.

Un exemple complet de l'animation d'une bielle est donné ci après

Figure 2: Bielle VRML

 

 

EXEMPLE :PATIENCE, CA ARRIVE...

 

5.5 Afficher les animations

Pour jouer l'animation, il est nécessaire de télécharger un "plug in" type Cosmoplayer pour le navigateur internet FireFox par exemple (voir les spécialistes en informatique). Puis de capturer l'animation sous forme de Clip *.AVI avec un logiciel (gratuit) et le convertir en *Gif animé.

 

6.  Modélisation VRML du moteur Stirling

 

Voilà à quoi ressemble le Résultat... (même si la fluidité et les couleurs sont dégradées par rapport à l'original). Les images Gif animées ci-après donnent une idée du modèle VRML que nous avons établi.

Figure 2

Figure 3

Une autre animation intéressante également présente sur une autre page de ce site: le traqueur solaire

Ph.Dondon
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