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TPE SUR L'AÉRODYNAMIQUE

Publié le 21/08/2012

Extrait du document

Toutes les couches de tels écoulements suivent des trajectoires parallèles et les résistances sont faibles. les écoulements turbulents quant à eux sont des plus désordonnés. leur comportement est imprévisible et ils sont le siège de tourbillons de taille, de localisation et d'orientation constamment variables.

« exemple, c'est l'air qui s'échappe des tuyères qui est à l'origine de la poussée qui propulse l'avion.

L'-..E IIUIIÛIQUE La complexité de l'équation de Navier­ Stokes rend presque impossible sa résolution manuelle.

Du moins s'agissant de systèmes réels.

Et encore plus de systèmes turbulents.

les scientifiques font alors appel à la simulation numérique.

Prenant en compte les approximations habilement choisies par les opérateurs, des programmes informatiques ultra­ performants se chargent de la résolution des équations.

Cette approche est désignée sous le nom de Méca niqu e des fluides numérique (MFN).

Méthode tout d'abord qualifiée de curieuse, elle est aujourd'hui un outil essentiel à la compréhension des phénomènes et à l'amélioration des aérodynamiques.

Dans l'avenir, les spécialistes estiment que, grace aux progrès des méthodes et à l'évolution des moyens informatiques, la part des calculs prendra une part de plus en plus prépondérante.

Aujourd'hui, les phénomènes turbulents restent bien silr les plus diflidles à appréhender.

En l'an 2000, le Clay Mathematics lnstitute proposait une récompense d'un million de dollars à qui proposerait une avancée dans la compréhension de ces phénomènes et dans leur description mathématique.

i!UW.gj lu SOUFRIIIES Pour mettre à l'épreuve de la réalité les résultats fournis par les ordinateurs, les aérodynamidens réalisent des essais en ,..,.,__ Ces instruments, parfois imposants, permettent de reaéer à moindre coOl mais surtout dans des situations de mesure idéales, les conditions réelles de déplacement de l'objet étudié.

Car un corps placé dans un courant d'air réagit de la même façon que s'li était en mouvement dans l'atmosphère.

Dans les souffleries, les ingénieurs testent donc les différentes ..,....aes • ,.wt.types d'un véhicule afin defaire le choix le plus judideuxet de lancer ensuite sereinement la fabrication en série.

Pour que leurs expériences aient de la valeur, ils doivent toutefois s'assurer de respecter la loi de similitude.

les mesures sur modèles réduits doivent se faire à des nombres de Reynolds et de Mach égaux à ceux que l'objet rencontrera ensuite en situation réelle.

Pour recréer les différentes conditions de déplacement d'un corps dans l'atmosphère, les ingénieurs ont mis au point différents types de souffleries.

les souffleries dites continues simulent des écoulements allant jusqu'à quelques Mach.

les souffleries à rafales quant à elles, prindpalement utilisées pour simuler des déplacements à très grandes vitesses, permettent d'atteindre Mach 20.

lu E55AI5 I'UIIIE kHEW lorsque les possibilités des simulations numériques et des essais en souffleries ne suffisent plus à apporter les réponses aux sdentifiques et aux ingénieurs, ils passent aux essais dits pleine échelle.

Des essais réalisés dans l'environnement de l'objet testé.

En vol ou sur route par exemple.

Ils pennettent de valider définitivement le comportement aérodynamique du corps.

I!UMJ!ItWWJ lu TRAIISPOm : PIIEIIIEI DOIIAINE ··~ Si à ses débuts, l'aérodynamique a prindpalement été appliquée à l'aviation, les ingénieurs de tous les secteurs du transport lui portent aujourd'hui une certaine attention.

Une bonne aérodynamique permet en effet à un véhicule, quel qu'li soit.

de diminuer sa résistance à l'air au cours de son déplacement Prindpaux bénéfices : l'augmentation de la vitesse ou la diminution de la consommation de carburant Pour ce faire, les ingénieurs doivent trouver le revêtement de surface et la forme qui permettent de réduire la tralnée et/ou d'améliorer la portance.

Ainsi posé, le problème parait simple mais, concernant les ailes d'avion par exemple, il est autrement plus complexe.

En effet.

les avions ont la facheuse tendance à voler à des vitesses, des altitudes et avec des inclinaisons variables.

Pour que la forme de leurs ailes soit optimale tout au long d'un vol, il faudrait donc imaginer des ailes à géométries variables et rapidement ajustables.

Une idée actuellement explorée dans quelques laboratoires et souffleries dont ceux travaillant sur les des tle r MU.

Autre idée explorée en la matière, celle d'Indure dans le profil des ailes, de minuscules dispositifs produisant des jets d'air destinés à interagir avec les écoulements d'air autour de l'avion.

run des problèmes qui se pose aux ingénieurs aérodynamidens responsables de la conception d'avions est celui de la traînée, génératrice de bien des perturbations et source potentielle d'acddents.

La tralnée d'un avion se décompose en réalité en trois grandes catégories.

La tralnée induite par la portance est proportionnelle au coeflident de portance et inversement proportionnelle à l'allongement de l'aile.

Elle est donc maximale pour une vitesse faible et/ou une altitude élevée.

Ble se caractérise par l'apparition de tourbillons à l'extrêmité de l'aile, tourbillons qui peuvent être dangereux et imposent une distance de séparation minimale entre les avions.

C'est pour réduire un maximum cette tralnée induite que les planeurs ont des ailes à grand allongement.

que les avions rapides ont des des tr.,ézoitltlla ou elliptiques ou encore que les ailes des Airbus portent des ailettes verticales ou winglet.

La tralnée dite parasite quant à elle, se décompose prindpalement en une tralnée de frottement et en une tralnée de forme.

La tralnée de frottement ralentit l'écoulement du fluide au voisinage de la surface de contact les sdentifiques nomment couche limite l'épaisseur du fluide ainsi freiné.

Si pour des écoulements laminaires, elle ne dépasse pas quelques dixièmes de millimètres, elle peut atteindre dix millimètres dans le cas d'un écoulement turbulent Ce ralentissement se traduit par une perte d'énergie qui devra être compensée par la propulsion de l'avion.

D'autre part.

un décollement de cette couche limite peut entralner un décrochage de l'appareil qui risque alors de s'écraser.

Concernant la tralnée de forme, les ingénieurs ont depuis longtemps établi que la résistance aérodynamique d'un corps dépend aussi de sa géométrie.

Ainsi, un objet en forme de goutte d'eau présente seulement 5 'lb de la résistance que présenterait un plan placé perpendiculairement à l'écoulement Car, de brutales variations de section mènent à l'émergence d'une importante tralnée de forme.

Pour la réduire.

~ est donc bon de • profiler •l'engin volant en question.

La tralnée de compressibilité enfin est générée par des phénomènes rencontrés lorsque les écoulements deviennent compressibles.

Elle ne ------------1------------ '=--"""- ------- .....j touche donc que les avions en vol trans-, super- ou hypersonique.

Si dans le domaine de l'aviation, les ingénieurs cherchent à accrollre au maximum la portance, dans celui de l'automobile, ils souhaitent plutOt rendre maximale la déportance, éest à dire l'appui aérodynamique qui améliore la tenue de route.

rautre différence par rapport au domaine de l'aviation se situe du cOté de la tralnée.

__..,..__ oo1 Car,la connaissance de la surface de la voiture n'est pas suffisante id à la définition de la tralnée induite.

la surface frontale du véhicule est également à prendre en compte.

Ainsi, l'aérodynamique d'une voiture est très complexe.

La moindre excroissance, un joint de pare-brise par exemple, est susceptible de perturber l'écoulement de l'air et de dégrader le coeffident de pénétration du véhicule.

La tralnée étant proportionnelle à la vitesse au carré.

c'est surtout aux grandes vitesses qu'une aérodynamique défaillante devient pénalisante, en termes de consommation notamment Car, meilleure est la pénétration dans l'air, moins le moteur aura besoin de puissance pour faire avancer la voiture.

Autre conséquence d'une mauvaise aérodynamique : le bruit A grande vitesse, des tourbillons d'air viennent frapper la carrosserie générant des bruits aérodynamiques.

Pour les réduire, les chercheurs travaillent actuellement sur le design bien silr mais aussi à la multiplication des joints d'étanchéité destinés à améliorer l'Isolation acoustique.

Si les plus connues des applications de l'aérodynamique se situent bien silr dans le domaine des transports, cette science se préoccupe aussi du domaine du batiment.

de la propulsion aérienne et de la production d'énergie.

Elle se penche même sur des questions bien plus légères comme peut l'être celle de l'élaboration d'un nouveau ballon de football ! Lorsqu'lis' agit de batir des ponts, par exemple, l'aérodynamique peut prendre une grande importance.

Ainsi, à la fin du me siècle, le pont de Brooklin est ouvert à la drculation sans que son profil aérodynamique n'ait pu être testé, les essais en soufflerie n'ayant pas encore été popularisés.

Par mesure de prudence, le concepteur du pont opte alors pour des armatures six fois plus résistantes que ce que préconisent ses calculs.

Une précaution qui ne fut pas prise par tous les architectes.

En effet.

c'est une catastrophe qui mena en 1940 à la généralisation des tests de maquettes de ponts en souffleries.

Cette année là, un pont jeté au-dessus du détroit de r.c- aux Bats-unis, s'effondre sous l'effet de vents violents.

Aérodynamiquement instable, il n'a pas pu résister aux vibrations induites par le vent D'autres ingénieurs utilisent quant à eux le phénomène de décrochage aérodynamique.

si facheux pour l'aviation, pour concevoir les pales des rotors d'éoliennes.

lorsqu'un avion s'Incline trop en arrière, l'écoulement sur le dessus de l'aile devient turbulent et la portance, résultant de la dépression à l'extrados de l'aile, se réduit dangereusement Un phénomène appelé décrochage.

Dans le cas des éoliennes, ce phénomène permet de contrôler l'Impact des vents sur les pales.

En effet.

les éoliennes sont conçues pour atteindre leur performance maximale avec des vents d'environ 15 mètres par seconde.

Pour éviter tout endommagement en cas de vents plus forts.

les ingénieurs ont imaginé des architectures permettant de mettre à profit le décrochage aérodynamique.. »

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