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Démarche expérimentale : Diagnostique aérodynamique

Interaction — 2024-10-31T15:36:00Z

Techniques visuelles d'analyse aérodynamiques des avions légers

Matthieu BARREAU
Professeur à l'IUT de Cachan.

L'intégralité de cet article est disponnible au format pdf dans la rubrique "publications"

« Au cours du premier vol de distance, une quelconque tubulure creva au moteur. L'huile s'échappa et coula le long du fuselage. J'étais précisément présent au moment de l'atterrissage et je vis, alors qu'elle coulait encore, que l'huile formait avec la suie de l'échappement des traînées parfaitement nettes. On pouvait constater par exemple que là où les ailes se raccordaient au fuselage, il devait y avoir encore une défectuosité aérodynamique. Sans la suie et l'huile, on ne l'aurait jamais découverte si rapidement.
"-Regardez-moi ça ! criai-je alors que Kôler sortait de l'appareil. Nous allons faire immédiatement un essai de suie. Badigeonnez-moi tout l'appareil avec de l'huile. Et à droite et à gauche du moteur on projettera de la suie d'une façon ou d'une autre pendant le vol. Nous constaterons ainsi les défectuosités aérodynamiques qui existent encore... »

Extrait du livre de Ernst Heinkel, "A l'assaut du ciel", édité en France chez Plon, en 1955. Cité par Pierre Rousselot dans son livre "Avions Légers".

Le premier envol du produit de l'imagination et de l'habileté manuelle d'un constructeur amateur est une étape décisive.
C'est aussi le début d'une nouvelle phase enrichissante et passionnante : la mise au point et la vérification des performances.
La conception d'un avion est le fruit de choix judicieux dans un grand nombre de domaines : aérodynamique, calcul de structure, technologies diverses, entre autres. Cependant, il est rare que le compromis soit optimal du premier coup, en particulier en ce qui concerne l'aérodynamique !
La vitesse de pointe et la vitesse d'atterrissage peuvent être différentes de celles prévues. Le décrochage peut être trop vicieux.
Des techniques très simples, à la portée de l'amateur, permettent d'améliorer et de comprendre l'aérodynamique de son avion. Elles utilisent gratuitement la plus grande soufflerie du monde : le ciel !
La NASA a recensé ces techniques. Nous avons retenu ici, celles directement utilisables pour l'amateur.

I-Diagnostiques aérodynamique à l'aide de fils de laine.

La cause principale de la dégradation des performances d'un avion provient des décollements des filets d'air et autres traînées de culot qui engendrent un accroissement de la traînée aérodynamique par non-recompression de l'écoulement. Il convient donc dans un premier temps de repérer les zones susceptibles d'en produire.

I-1 : Traquer les décollements aérodynamiques

La première technique utilisable (dans l'ordre de leur raffinement) est celle des fils de laine ("tuft test" en anglais). Elle consiste à observer le comportement d'une nappe de fils de laine fixés à l'aide d'adhésifs sur les parois. Un avion d'escorte ou une petite caméra permettent de recueillir un certain nombre de photos et de films.
Les zones les plus suspectes de produire des décollements et qui méritent donc d'être observées sont :

Décollements sur une verrière bulle de Me262

les jonctions aile fuselage
Le rétreint sur l'arrière d'une verrière
Les fuselages tronqués et/ou trop rajeunis
les raccords divers : haubans, jambes de train, mâts, ...
Les sorties d'air de refroidissement...

La localisation et la visualisation de l'étendue des décollements permettent au constructeur-pilote de mettre au point des raccords de Karman ou d'adoucir les rétreints afin d'éliminer complètement ces zones de forte traînée.

Document extrait du livre : "Me262" Cf ref. plus bas

En outre, cette méthode de diagnostic permet de visualiser l'influence des différentes protubérances telles que les écopes d'air, les venturis, les antennes et la direction locale de l'écoulement. On pourra ainsi facilement orienter les écopes dans le sens du flux.

Quelques exemples

Visualisation des décollements derrière le cockpit d'un Zenair "Zodiac"

Peter Chapman a procédé au repérage des décollements sur son Zodiac.
Les fils de laine situés au zénith de la verrière sont à peu près alignés avec le vent relatif. Par contre, plus en arrière, ils adoptent des directions erratiques traduisant des décollements importants.
Il est fort probable que quelques turbulateurs bien placés amélioreraient un peu la vitesse de croisière.
(Cliché du constructeur : Peter Chapman)

Etude de l'écoulement d'intrados de fuselage sur un "Aero-Commander" de la NASA.

L'Aero-Commander 680F du centre de recherche de la NASA est présenté avec des fils de laine attachés sur les côtés et le dessous du fuselage. Il s'agit d'étudier les écoulements sur le fuselage et de vérifier qu'il n'y a pas de décollement après le maître-couple.
La photo montre la qualité du travail des aérodynamiciens sur le fuselage (pas d'angles vifs, rajeunissement progressif, pas de rétreints trop marqués). Notez la forme des nacelles motrices, de largeur constante jusqu'au bord de fuite, afin de minimiser les trainées d'interaction dues au cumul de deux zones de recompression.
(Cliché NASA)

Visualisation des décollements sur capotage moteur de "Varieze".

Mr Steven H. Wood dans un article de la revue Sport Aviation décrit les modifications qu'il a apportées à son Varieze pour en améliorer le refroidissement moteur. La principale consiste à remplacer l'entrée d'air en écope par une prise NACA sur le fond du fuselage. Une boîte à air, placée en prise directe sur l'écope NACA, a nécessité une modification de l'arrière du fuselage qui adopta une forme en poupe de bateau. Après ces deux transformations, une amélioration de 9,5 km/h fut enregistrée. Sur l'initiative de Mr Dick Rutan, une série de tests en vol fut effectuée à l'aide de fils de laine.
La photo montre un écoulement correct au niveau de la prise NACA mais des problèmes de décollements sur les carénages moteurs.
(Cliché Mr Steven H. Wood Sport Aviation, décembre 1980)

Visualisation des écoulements sur un Wittman "Tailwind".

Des essais en vol sur un Wittman "Tailwind" menés par le département d'aérophysique du Mississipi State College attestent d'un bon écoulement général.
La photo 1 permet de mettre en évidence la naissance d'un écoulement tourbillonnaire au niveau du raccord vif de la verrière. Ce tourbillon perturbe l'écoulement sur l'extrados de la partie centrale de l'aile.
Sur la photo 2, on note un écoulement avec composante transversale au niveau de l'emplanture et une légère perturbation sur l'arrière du coin gauche du fuselage.
(Cliché August Raspet ; Sport Aviation, octobre 1956)

I-2 : Etude du décrochage

Après ces divers diagnostics sur la traînée, une utilisation particulièrement intéressante de cette méthode est l'application à l'étude du décrochage (cartographie des décollements). Cette phase fondamentale des essais en vol vise à vérifier que le décrochage est sain et que les ailerons sont bien protégés. La technique consiste donc à couvrir toute l'aile de fils de laine afin d'observer la progression des décollements en fonction de l'augmentation de l'incidence.
Pour avoir un décrochage sain, les décollements doivent apparaître à l'emplanture puis progresser graduellement vers les saumons. Les ailerons seront protégés par les divers artifices connus (extension de bord d'attaque, vrillage etc..) afin de garder un bon contrôle en roulis, alors que la partie centrale de l'aile est décrochée, et éviter les décrochages d'ailerons qui, à basse altitude, conduiront inévitablement à la catastrophe.
L'observation des motifs dessinés par les fils de laine permet de visualiser les décollements et de repérer facilement les zones de décrochage prématuré.

Quelques exemples
Visualisation du décrochage sur une aile de BD5 modifiée.

A noter comment le gonflement des bords d'attaque sur le reste de l'aile protège les zones concernées d'un décrochage anticipé.

(Cliché Seth Anderson, Sport Aviation ; août & septembre 1986 ;)

Visualisation de la propagation du décrochage sur une aile de quadriplace.

Noter la propagation progressive du décollement d'extrados au fur et à mesure que l'incidence augmente, signe d'un décrochage sain.

(Clichés extraits du remarquable ouvrage de Pierre Bonneau & Christian Briand : "Essais en vol" ; Airpress)

Visualisation de la propagation du décrochage sur un PA 28.

M. Hisham BOUK'HIL a eu l'obligeance de brûler un peu de pétrole pour l'éducation des concepteurs en herbe que nous sommes tous. A l'aide de son complice Matthieu BARREAU, ils nous présentent une vidéo de trois minutes (ATTENTION 45 Mo) sur des essais de décrochages sur PA 28.

II-Diagnostics aérodynamiques à l'aide d'huile.

II : Méthode utilisée

Quand, après une étude minutieuse des motifs des fils de laine, les zones de décollements ont été minimisées (par des méthodes correctives), on peut utiliser les méthodes de badigeonnage d'huile ou de sublimation pour étudier, encore plus finement, l'écoulement dans la couche limite.

Le badigeonnage d'huile permet de visualiser les phénomènes de transition laminaire/turbulent, les décollements et la direction des écoulements de surface. La méthode est la suivante :

On procède à un nettoyage minutieux des ailes afin de retirer toutes les poussières qui pourraient avoir une influence sur la couche limite.
On applique avec un pinceau un mélange à base d'huile de moteur automobile (par exemple, Mobil 1, 10W40 qui convient très bien pour des pressions dynamiques de 1500 N/m2, c.a.d des vitesses de 180 km/h), et de pigment colorant en poudre (oxyde ferrique Fe02, de couleur foncée, ou oxydes de titane Ti02, de couleur claire).
De la poudre de graphite, disponible dans les magasins d'art sous l'appellation "noir de fumée", ou de la poudre d'aluminium disponible chez les vétérinaires peut aussi être utilisée.
Une part en volume de pigment est mélangée avec 10 à 15 parts d'huile ce qui permet d'avoir suffisamment de contrastes sur les photos en vol. Il est important d'éviter les grumeaux qui pourraient être responsables d'une transition prématurée de l'écoulement. On peut éviter cela en mélangeant au préalable une petite quantité d'huile avec les pigments pour former une pâte homogène, à laquelle on ajoute le restant d'huile.
On peut aussi utiliser de l'huile de vidange qui sera naturellement colorée (et bien sale !).
Des particules de poussières risquant d'adhérer facilement sur le film d'huile, provoquant une transition prématurée de l'écoulement, le mélange ne devra pas être appliqué plus de trente minutes avant le vol.
L'appareil décolle, rejoint l'altitude de test et vole pendant environ 30 minutes. Le film d'huile, coloré par les pigments, s'écoule sur la paroi selon sa viscosité et la température, mais beaucoup plus rapidement dans la zone turbulente où la contrainte de frottement sur la paroi (contrainte pariétale) est la plus importante. La zone laminaire apparaît en plus foncée ou en plus claire, suivant les pigments utilisés et la couleur du revêtement de l'avion, du fait de la plus grande épaisseur du film d'huile.
On effectue quelques clichés à l'aide d'une caméra embarquée ou d'un avion d'escorte. Bien prendre soin d'avoir le soleil dans le dos du photographe afin de maximiser le contraste.

Les différentes phases de vol devront être maintenues pendant au moins 60 secondes afin que les motifs d'huile aient le temps de se former.
Pour des pressions dynamiques inférieures à 4800 Pa (soient des vitesses inférieures à 300 km/h), l'écoulement laisse assez d'huile sur la surface pour que l'on puisse étudier les phénomènes de transition et de décollement pendant au moins 30 minutes, ensuite, le contraste des photos diminue.

Pour les analyses de transition laminaire/turbulent, on a tout intérêt à fixer une bande crantée (bande rugueuse ou de papier de verre) dans le sens de l'envergure sur une longueur limitée (50 cm), qui puisse servir de témoin pour identifier l'aspect de la zone de transition laminaire/turbulent.
Après le vol, la plus grande partie de l'huile peut être nettoyée avec un chiffon, les restes partent avec un solvant.

Quelques exemples

Visualisation des traînées d'interaction et de la transition laminaire/turbulent. sur les capots d'un "Varieze"

Le badigeonnage d'huile usagée sur les surfaces d'un avion permet d'explorer le comportement de la couche limite.

Sur cette photo nous pouvons voir, au milieu de la jambe de train, une zone d'accumulation d'huile correspondant à la zone de transition laminaire-turbulent de l'écoulement.
De plus, à la jonction de la lame de train et du fuselage on aperçoit une zone de recirculation d'huile, correspondant à un décollement qui est à l'origine d'une traînée d'interaction.
(Cliché www.ez.org)

Detection de la position de la bulle* laminaire pour l'implantation de turbulateurs

Visualisation par huile de la bulle de décollement.

(ClichéBryan D. McGranahan et Prof. Michael S. Selig)

Aux angles d'incidence usuels, la couche limite transite d'un écoulement laminaire en écoulement turbulent en un certain point de la corde de l'aile. Cette zone de transition est matérialisée par une bulle de recirculation qui "épaissit" l'aile en ce point.
L'image ci-contre illustre ce phénomène.

Afin de réduire la taille de cette bulle de décollement laminaire il est d'usage chez les vélivoles d'utiliser des bandes de turbulateurs qui, en provoquant la transition laminaire/turbulent, vont d'une certaine manière "organiser" le flux turbulent et presque éliminer la bulle.

Visualisation par fumées de la bulle de décollement.

(Cliché Greg Cole and Prof. Mueller ; University of Notre Dame)

Des amateurs américains ont mené des tests à l'huile pour déterminer la position exacte de la bulle de décollement aux différents régimes de vols de leurs planeurs.

Des badigeonnages d'huile sont effectués sur trois cordes d'intrados respectivement situées à 66, 251 et 381 cm de l'emplanture.

Nota : La position des cordes est mesurée en mètres depuis l'emplanture et les positions le long de la corde (C) sont mesurées depuis le bord d'attaque.
L'emplacement des bulles est paramétré par la position de leur bord d'attaque.

Aile droite après un vol à 96 km/h

Corde 0,66 m, bulle de séparation à 0,46C.

Corde 0,251 m, bulle de séparation à 0,51C

Corde 0,381 m, bulle de séparation à 0,51C

Aile droite après un vol à 130 km/h

Corde 0,66 m, bulle de séparation à 0,43C

Corde 0,251 m, bulle de séparation à 0,48C

Corde 0,381 m, bulle de séparation à 0,50C

Aile droite après un vol à 130 km/h avec des turbulateurs temporaires

Corde 0,251 m, Turbulateurs temporaires installés à 0,49C (Point médian des bulles de séparations à 96 et 130 km/h.

Corde 0,251 m, Turbulateurs temporaires installés à 0,49C (Point médian des bulles de séparations à 96 et 130 km/h.

Etude de la transition laminaire/turbulent sur un Winglet

Montage expérimental du winglet

Turbulateurs placés à 3mm derrière le début de la bulle laminaire.

Quel effet une bande de turbulateurs a-t-elle sur la bulle de décollement laminaire (zone de recirculation) d'un profil laminaire lorsqu'elle est placée à l'emplacement de cette bulle ? Comment se comporte cette bulle lorsque les turbulateurs sont placés de plus en plus en arrière de la zone de séparation ?
Pour répondre à ces questions, Davis Horton, un étudiant d'Oxford a réalisé des essais d'écoulement d'huile sur un winglet de planeur.

Le mode opératoire consiste à monter à environ 75 cm sur le côté d'une camionnette, un Winglet de planeur ; à enduire l'extrados d'huile de lubrification automobile, puis à faire des "vols simulés" à environ 105 km/h sur autoroute.
L'opération était renouvelée pour des positions de plus en plus reculées de la bande de turbulateurs.

Sans turbulateurs.

Turbulateurs placés à 13mm derrière le début de la bulle laminaire.

La zone laminaire est identifiée par une couleur de plus en plus foncée en partant du bord d'attaque jusqu'à la bulle de décollement laminaire (zone de transition) dans laquelle stagne l'huile (zone de recirculation, et donc d'accumulation d'huile et de pigments, augmentant le contraste sur la photo). Enfin la zone entièrement turbulente est matérialisée par une couleur claire qui s'obscurcit lorsqu'on approche du bord de fuite à cause de l'accumulation de l'huile à ce niveau.
Ces essais semblent prouver que, même lorsque la bande de turbulateurs (bande crantée) est placée à l'arrière de la bulle de décollement laminaire, elle réduit sensiblement son étendue et, vraisemblablement, son épaisseur.

Commentaires de Mr Dick Johnson

"Voilà de très intéressantes photos d'écoulement d'huile. Celle avec les turbulateurs placés à 6 mm en amont de la bulle est excellente car elle montre que cette bulle de séparation est bien supprimée et les écoulements adhèrent bien en amont et en aval des turbulateurs.

Turbulateurs placés sur le début de la bulle laminaire.

Turbulateurs placés à 25mm derrière le début de la bulle laminaire.

Les autres positions des turbulateurs, au début de la bulle ou en arrière de celle-ci, ne semblent par offrir d'aussi bonnes performances, et il s'avère que l'huile est plus épaisse en amont du turbulateur sur toutes ces photos.
Peut être que l'emplacement non optimum des turbulateurs risque d'épaissir la bulle de décollement. Un peigne de sillage permettrait d'explorer de manière plus précise la traînée afin de déterminer la meilleure position de la bande crantée."
(Cliché standardcirrus)

III- Diagnostics aérodynamiques par sublimation.

La technique qui utilise la sublimation (passage direct de l'état solide à l'état gazeux) de composants chimiques permet de repérer les zones d'écoulements laminaires et turbulents.
Elle est donc particulièrement bien adaptée pour mesurer l'étendue de la zone laminaire.
Cette méthode consiste à déposer un film très fin de naphtalène sur la surface à étudier puis à visualiser la sublimation de ce film.

La méthode est la suivante :

On procède à un nettoyage minutieux des ailes afin de retirer toutes les poussières qui pourraient avoir une influence sur la couche limite.
On dissout de la naphtaline dans un solvant adapté (par exemple du trichloréthylène, proportion 1 pour 8 en volume).
A l'aide d'un pistolet à peinture réglé entre 1,5 et 2 bars et équipé d'une buse plate, on pulvérise la solution sur l'aile.
Les consommations normales sont d'environ 0,3 à 0,5 litre de mélange par mètres carrés, ce qui donne une couche de naphtalène d'environ 5 à 10 mm.
On laisse le solvant s'évaporer. Une fine couche de naphtalène solide apparaît alors en surface.
Pour éviter des transitions laminaire/turbulent prématurées, causées par des particules chimiques un peu trop grosses, on peut balayer la surface avec une brosse douce.

Quand l'avion effectue un vol test, les régions de frictions importantes (écoulement turbulent) entraînent une sublimation rapide du naphtalène alors que sur les zones laminaires, la sublimation est beaucoup plus lente et laisse une pellicule blanche en surface (pour des températures comprises entre 0 et 30° et des vitesses inférieures à 450 km/h, les temps de sublimations varient entre quelques minutes et plusieurs dizaines de minutes).
On peut donc repérer les imperfections qui provoquent une transition prématurée.

IV- Détection acoustique de la transition laminaire/turbulent.

Cette méthode complémentaire des observation d'huile et de naphtalène permet de détecter en direct les variations de positions de la transition laminaire/turbulent. On peut ainsi étudier l'influence de la pluie, du brouillard ou des insectes sur la couche laminaire. La technique consiste à écouter la couche limite par l'intermédiaire de capteurs de pression totale. La couche laminaire étant bien plus silencieuse que la couche turbulente, on peut identifier la zone de transition.

La méthode est la suivante :

On utilise des tubes capteurs de pression totale fixés à l'aide d'adhésifs sur les parois des ailes.
Les tubes seront décalés de plus ou moins 5% de la corde locale autour de la position supposée de la transition laminaire/turbulent.
Les tubes capteurs de pression totale sont des tubes d'acier inoxydable de 15/10eme de diamètre extérieur dont l'une des extrémités est écrasée en forme d'ovale dont le diamètre du petit axe n'excèdent pas 4/10eme de millimètre. Ces tubes sont ensuite branchés sur des flexibles en caoutchouc (de 2 millimètre de diamètre extérieur et de 15/10eme de diamètre intérieur) reliés à un peigne de sélection dans la cabine.
Un tube muni d'une oreillette peut être branché sur ce peigne de sélection et permet à l'opérateur d'écouter le tube de son choix.
Un bon casque (-20 dB) procure une atténuation suffisante des bruits environnants.
Les données acoustiques sont enregistrées manuellement en vol. La couche limite laminaire est plus silencieuse que la couche limite turbulente. Il faut donc étalonner chaque tube. A chaque vitesse de vol, les trois tubes situés sur la même corde sont écoutés un à un. Quand un tube est sélectionné sur le peigne, le signal sonore est étalonné en effectuant une manoeuvre qui provoque un facteur de charge de 2G (par exemple un virage à 60° d'inclinaison). Cette manoeuvre à pour effet d'augmenter l'incidence de l'aile et de provoquer une avancée significative de la zone de transition devant le tube sélectionné. De cette manière chaque tube peut être étalonné indépendamment de sa réponse acoustique particulière.
Il suffit, une fois l'avion revenu en palier, d'écouter à nouveau les trois tubes situés sur la même corde pour détecter la position de la zone de transition.

Conclusion.

La difficulté dans la compréhension des phénomènes aérodynamiques est liée à l'invisibilité de l'air. A défaut de corriger les déficiences aérodynamiques de son avion l'amateur curieux utilisant les techniques visuelles d'analyse aérodynamiques décrites précédemment, pourra voir l'invisible et comprendre un peu mieux l'incompréhensible !

Matthieu BARREAU (Mai 2003)

*Note : Contrairement à l'usage qui veut que l'on traduise "laminar bubble" par "bulbe de décollement laminaire", nous avons choisi d'utiliser le français "bulle" bien plus parlant à nos yeux.

Sources pour en savoir plus :

"Visual Techniques for Analyzing Aircraft Performance"
Joseph J. Cornish du département d'aérophysique de l'université du Mississippi.
Sport Aviation (décembre 1960).

"The use of oil for in-flight flow visualisation"
Robet E. Curry ; Robert R. Meyer, jr., Mauren O'Connor.
NASA technical Mémorandum 84915, revised january 1984.

"Flow visualisation techniques for flight research"
David F. Fisher, Robert R. Meyer, Jr.
NASA technical Mémorandum 100455 ; octobre 1988

"Natural Laminar Flow Experiments on Modern Airplane Surfaces"
Bruce J. Holmes, Clifford J. Obara, Long P. yip
NASA technical paper 2256 ; juin 1984

"Laminarité et aviation légère"
Alain Bugeau.

"Me 262"
J. Richard Smith, Eddie J. Creek, Tom Tullis (dessinateur), Arthur L. Bentley (dessinateur)
Ed. Classic Publication ; (Juillet 2002)
www.classic-books.co.uk
ISBN : 1903223008

Démarche expérimentale : Utilisation des générateurs de tourbillons (vortillons).

Interaction — 2024-10-31T15:35:52Z

Démarche expérimentale de diagnostic et de correction aérodynamiques :
Amélioration du contrôle en roulis sur un Varieze.
John Dee et Harry Abbott

Après une période prolongée de panne, mon VariEze vole à nouveau et les petits bugs typiques redeviennent d'actualité !
Je n'ai jamais été complètement satisfait du contrôle en roulis à la vitesse de 80 nœuds (148 km/h) et en dessous. Et depuis le retour au service il semble être plus mauvais qu'avant.
Première question... Quels changements pouvait expliquer la dégradation ?

Deux possibilités viennent à l'esprit :
J'avais jointoyé le trou de passage du tube de gauchissement d'ailerons pour empêcher la perte d'air de refroidissement. Mais les joints en caoutchouc étaient dégradés et je les ai enlevés sans remplacement.
J'ai installé des écopes de refroidissement à l'intrados de l'emplanture.
Mes symptômes étaient un lacet inverse modéré avec une réponse pauvre en roulis.
Je croyais que les modifications sus-citées pouvaient être la cause de ce problème, mais il n'en était rien !
Nous énoncerons d'abord ce qui nous semble être la cause principale puis nous verrons en quoi les deux modifications ont pu aggraver la sévérité du problème.
Note du rédacteur : les raies onduleuses sont engendrées par une distorsion optique à travers la verrière de l'avion suiveur.
Pour aider à diagnostiquer le problème, Bob Greider a scotché des fils de laine à l'aide de ruban adhésif sur l'extrados et l'intrados de l'aile. Nous avons volé à de diverses vitesses avec Bob dans son Long-EZ pour observer ce qui se passait.
Diagnostic de Greider : Écoulement dans le sens de l'envergure en amont des ailerons sur l'extrados seulement et à basses vitesses.
Ceci a expliqué le lacet inverse modéré avec une réponse pauvre en roulis.

J'ai réinstallé les joints en caoutchouc d'aileron, et suis allé voler.
Légère amélioration et retour au faible niveau de contrôle en roulis que j'avais précédemment.

Nous avons rediscuté du problème avec Harry Abbott et John Dee.
Nous avons décidé de tester à nouveau l'écoulement au niveau des ailerons en utilisant des fils de laine à l'extrados et à l'intrados de l'aile et à divers autres emplacements qui nous intéressaient.
Nous avons volé aux vitesses s'étendant de 120 nœuds jusqu' à ma vitesse anémométrique minimum de 55 nœuds. Nous avons commencé à 120 nœuds et avons diminué la vitesse par tranche de 10 nœuds
Pour chaque tranche de vitesse, une photo à été prise.

Sur l'intrados, pas de gros problèmes décelé, les filets d'air sont bien alignés dans le sens de la vitesse de vol.
Par contre, c'est une tout autre histoire sur l'extrados au niveau des ailerons.
L'écoulement reste raisonnablement aligné avec la vitesse pour des vitesses de vol élevées.
Quand on ralenti, l'assiette du fuselage augmente ainsi que l'incidence de l'aile.
À 90 nœuds, on commence à voir les fils de laine s'orienter dans la direction de l'aile et dans le sens emplanture/saumon.
Sur une aile à flèche nulle, aucun problème. Mais sur l'aile en flèche du Vari Ez, l'écoulement des filets d'air tend à avoir une composante en envergure qui apparaître (Note du traducteur : Notez les dépôts laissés par l'eau sur les ailes de Vari-EZ qui ont volés dans la pluie).
À 80 nœuds, un décollement des filets d'air se produit bien à l'arrière de la partie la plus épaisse de la corde juste devant l'aileron. L'intrados de l'aileron conserve un écoulement correct grâce à la surpression d'intrados. L'extrados de l'aileron à l'emplanture est noyé dans la couche limite de l'apex à forte flèche de la voilure. Il est probable qu'une composante en envergure de l'écoulement due à l'apex vienne perturber l'aileron et provoquer un décollement prématuré des filets d'air. De plus, le déclenchement de ce décollement peut être aggravé par une fuite d'air à travers la charnière d'aileron.
Les deux possibilités que j'avais évoqués en début d'article ont certainement aggravé le problème en créant un courant d'air à travers les fentes d'ailerons.
Les joints manquants ont permis à l'air de refroidissement de pressuriser les boîtes d'aileron, et les écopes d'emplantures ont augmenté l'augmentation de pression de l'écoulement près de la racine arrière de l'aile.

(Un ami nous a mentionné avoir eu plus ou moins le même problème avec son VariEz quand il a perdu quelques attaches de capot dans le même secteur, permettant au capot supérieur de se soulever et à l'air de fuir plus ou moins de la même manière.)
Après réflexion, John et Harry avaient suggéré d'implanter des générateurs de vortex en amont des ailerons.
Harry les a donc installés en quelques minutes a la racine des ailerons. Il les a fabriqués rapidement dans une bande en aluminium. Nous avons effectué de nouveau des vols de contrôle.
Les vitesses les plus élevées ont produit des efforts plus élevés lors des sollicitations en roulis, un pas en arrière, toutefois à 80 nœuds le contrôle en roulis fut nettement amélioré.
Les images montrent un bon alignement des fils de laine derrière les générateurs de vortex, avec l'écoulement dans le sens de l'envergure commençant après les vortillons.
John Lambert

Essais avec fils de laine pour visualiser l'écoulement sur les ailerons avec et sans vortillons

Visualisation des écoulements à diverses vitesses.	Visualisation des effets des vortillons installés sur le premier tiers intérieur des ailerons.
100 noeuds (185,2 km/h)

90 noeuds (167 km/h)

80 noeuds (148 km/h)

70 noeuds (130 km/h)

60 noeuds (111 km/h)
	Indisponible [1]

Rapport d'essais

Les ailerons sur le variez sont localisés à la jonction du plan d'apex et de l'aile et un décollement à leur niveau semble être la cause la plus probable de la faible réponse en roulis à faible vitesse.
Harry Abbott suggérait d'étudier le comportement de la couche limite en utilisant des fils de laine scotchés sur l'extrados de l'aile au niveau des ailerons et en dehors de ceux-ci.
Ce que nous avons fait.
Nous avons photographié les fils de laine de l'aile droite tous les 10 nœuds depuis 100 nœuds jusqu'à 60. Le comportement des fils de laine de l'aile gauche étant complètement symétrique, nous ne les avons pas photographiés.

Après ce premier essai, Harry a fabriqué à l'aide d'une paire de ciseaux et d'une bande d'aluminium autocollante un ensemble de générateurs de vortex. Après quelques négociations avec le constructeur de l'appareil, Harry a installé six vortillons à environs trois pouces (7,5cm) en amont de la charnière intérieure de l'aile droite.
Pour un contrôle en roulis symétrique, six autres vortillons furent installés sur l'aile gauche. L'emplacement des générateurs de vortex est celui correspondant à l'endroit où l'écoulement avait changé de direction de longitudinal à 100 nœuds à transversal (dans le sens de l'envergure) à 60 nœuds .
Une fois encore, nous avons fait une série de photo de 100 à 70 nœuds. A 60 nœuds, Harry put voir que les fils de laine derrière les vortillons étaient complètement décollés de la surface avec un angle significatif et tourbillonnants. Suggérant que le décollement sur l'aileron résultait d'un angle d'incidence important, mais également, puisque les fils tournoyaient et toujours dans la direction longitudinale plutôt que dans le sens de l'envergure, que les générateurs de vortex semblaient essayer de faire leur travail en pénétrer la région séparée d'écoulement par l'intermédiaire d'énergiques tourbillons.
Harry utilisait un appareil photo numérique ce qui nous permit de consulter rapidement les photos sur ordinateur.
Qu'avons nous vu :

Sans vortillons l'écoulement de la couche limite sur l'aileron était longitudinal à 100 nœuds et stagnant dans le sens de l'envergure à 60 nœuds en aval de la ligne d'articulation de l'aileron.
Cela implique une séparation de l'écoulement sur les ailerons aux faibles vitesses. Avec les vortillons, l'écoulement de la couche limite reste longitudinale à toutes les vitesses. L'écoulement défléchi reste attaché. Cette observation confirmait les impressions de Johns notant des efforts de gauchissement plus importants.
Sans les vortillons, la réduction de la vitesse entraîne une avancée vers l'intérieur de l'aile du point de transition vers un écoulement décollé.
Le flux transversal dans le sens de l'envergure de la couche limite devient évident aux endroits où il n'y à pas de charnière, suggérant que les rivets des fixation des charnières pourraient avoir déclenché la couche limite, introduisant assez de turbulence pour activer légèrement l'écoulement en aval.
(Notez que le premier fil de laine après l'aileron coté saumon est toujours orienté transversalement, quel que soit la vitesse, probablement à cause d'une fuite d'air à travers la jonction aileron/aile. En outre, le fil de laine côté emplanture vibre rapidement à toutes les vitesses, ce que l'on ne peut pas voir sur un cliché, au point de s'emmêler avec son voisin.).
Au total, nous avons eu une expérience très enrichissante avec notre avion "expérimental", et avons appris un peu plus sur l'aérodynamique appliquée.
Et d'ailleurs, nous avons vu un Learjet avec des vortillons installés juste en avant des ailerons ! Ainsi, nous ne sommes pas les premiers à essayer de résoudre un problème de gauchissement d'ailerons de cette manière !
John Dee et Harry Abbott

(Avec l'aimable autorisation de messieurs John Dee et Harry Abbott ainsi que de Mr John Dee, ouaibmaître du site Ez)

[1] Le cliché à 60 noeuds avec vortillons n'est pas disponible mais le pilote de l'avion suiveur dit avoir vu les fils de laine toujours alignés longitudinalement, mais légèrement décollés de la surface et tourbillonnants.

Démarche expérimentale : Diminution de la traînée de culot par turbulateurs.

Interaction — 2024-10-31T15:35:48Z

Diminution de la traînée de culot sur automobile.

Diagnostique

L'utilisation très facile de fils de laine scotchés sur les carrosseries permet, pour un coût dérisoire, de traquer les décollements générateurs de traînées de culot.
C'est d'autant plus instructif que les décollements aérodynamiques ne manquent pas sur une automobile : "personne n'est inutile, au pire elle sert de mauvais exemple", ce proverbe alsacien est on ne peu plus valable dans ce cas et la visualisation expérimentale des multiples déficiences aérodynamiques présentent sur une auto en sera d'autant plus instructive.

Correction aérodynamique

Travaux Pratiques

Proposition d'expérience à effectuer sur la poupe d'une auto pas trop tronquée (ex : Visa, AX etc ...)

Effectuer une première expérience de visualisation des écoulements sur la poupe de l'auto à l'aide de fils de laine. Ce reporter au descriptif de la methode dans l'article : "Techniques visuelles d'analyse aérodynamique des avions légers. (3,5 Mo)".
Les fils de laine permettent de détecter des décollements à l'origine de traînées de pression importantes. L'utilisation de turbulateurs (qui amènent un surcroit de traînées par création de tourbillons) peut dans certains cas améliorer le bilan global de traînée du véhicule en réduisant la taille du culot décollé. C'est ce que l'on se propose de faire dans l'expérience suivante.

Fabriquer une série de turbulateurs :
* Il faut leur donner une "envergure" deux à trois fois plus grande que la couche limite locale.
* Ce sont des ailes de faible allongement (un peu comme des ailes Delta). Leur incidence max de décrochage est de ce fait assez élevée (30°). Ce sont les tourbillons marginaux très puissants qui permettent de redynamiser la couche limite et de rendre cette dernière fortement turbulente et donc assez adhérente.

Mise en place des turbulateurs :
Mettre en place une rangée de turbulateurs en quinconce avec une incidence par rapport au vent relatif local (révélé par les fils de laine) de 25 à 30° max. Attention, il faut être en dessous de l'incidence de décrochage du turbulateur.

Vérifier l'écoulement ainsi obtenu à l'aide de fils de laine.

Aérodynamique des véhicules routiers

Interaction — 2024-10-31T15:27:14Z

Sommaire

Aérodynamique des VEHICULES à PROPULSION HUMAINE (VPH) & VEHICULES CARENNES (STREAMLINED)

Les traînées des véhicules routiers se composent de :

La traînée de pression (plus que majoritaire dans les véhicules qui nous intéressent) décollements, culots, turbulences.
La traînée de frottement visqueux (Couche limite laminaire ou turbulente)
La traînée des trains de roulements (roues tournantes)
Les traînées d'interaction entre les différents éléments de la carrosserie.
La traînée induite par la portance (dans le cas ou la forme fuselée génère une portance non nulle).
La traînée des écoulements internes (ventilation de l'habitacle).

PAC-CAR-II - LA référence absolue !

la PAC CAR II détentrice du reccord absolue au marathon Shell (5385 km avec l'équivalent en hydrogène d'un litre de pétole) présente les caractéristiques suivantes :

Longueur : L = 2,78 m
Largeur : l = 0,57 m
Hauteur : h = 0,61 m
Voie : 0,50 m
Empattement : 1,50 m
Surface frontale : Sf = 0,254 m²
Coef. de traînée de pression : Cxp = 0,075 (Soufflerie)
Surface de traînée : SUTRA = Sf.Cxp = 0,01905 m²
Surface Mouillée Totale : SMT = 3,246 m²
Coef. de frottement équivalent plaque plane : Cfe = 5,87/1000
50 % trainée de pression, 50 % traînée de frottement !
Nombre de Reynolds à 35 km/h : Re = 1,6.10^6
Masse à vide : Mv = 29 kg
Pneu : Michelin radial 45-75R16 Coef. resistance au roulement : Crr = 0,001
Pneu : Michelin 35-406 with tube. Coef. resistance au roulement : Crr = 0,002

(Courtoisie http://www.paccar.ethz.ch/)

La traînée de pression (plus que majoritaire dans les véhicules courant ne représente ici que 50 % de la traînée totale - c'est exceptionnel pour un véhicule routier).

La surface frontale (Sf = 0,254 m² ) est réduite par une position très allongée du pilote et par le carrossage négatif des roues.

Les décollements, culots et turbulences sont réduits aux minima par une forme fuselée convexe (pas de rétreints, forme bien "gonflée") en "berlingot" de rapport L/D = 5,6 se terminant à la poupe par une arrête verticale formant derive.
A noter, un soin tout particulier pour minimiser les décollements par vent de travers par utilisation de généreux rayons de raccordements entre l'extrados et les flancs du fuselage.

Sur la vidéo ci contre des essais en soufflerie de la PAC CAR II, vous noterez les décollements visibles lors de l'essais en incidence latérale (vent de travers) ainsi que la visualisation à la cane à fil de laine du tourbillon trombe qui se forme en aval de la carène lorsque celle ci est en incidence latérale.
Egalement visible sur la fin de cette vidéo, le sillage turbulent très bien matérialisé par le filet de fumée lorsque ce dernier "lèche" le pantalon de roue arrière.

La traînée de frottement visqueux (Couche limite laminaire ou turbulente).

Il est probable que la PAC CAR II obtienne un proportion non négligeable d'écoulement laminaire en conditions idéales (pas de vibrations, pas de turbulences, pas de pollution de la carène par des insectes).

Le ruban adhésif placé au premier tiers de la caréne lors de l'essai en soufflerie est sans doute destiné à forcer la transition laminaire/turbulent au droit de maitre couple afin de simuler l'écoulement en conditions réelles (turbulent).

Au Reynolds du véhicule (1,6 million) correspondant à sa vitesse de croisière de 35 km/h le coefficient de trainée d'une plaque plane est de 4/1000 en régime turbulent et de 3/1000 en régime de transition laminaire/turbulent. En supposant que 30% de la carène est en régime de transition laminaire/turbulent et que le reste est en turbulent, on obtient un coefficient de trainée équivalent plaque plane de :

Cfe = 30%.Cfe laminaire/turbulent + 70%.Cfe turbulent
Cfe = 0,3 x 3/1000 + 0,7 x 4/1000 = 3,7/1000

La surface mouillée estimée à SMT = 3,246 m² engendre donc une surface de traînée visqueuse de :

SUTRA visqueuse = SMT . Cfe
SUTRA visqueuse = 0,012 m²

Si l'on compare cette SUTRA de traînée visqueuse à la SUTRA soufflerie = Sf.Cxp = 0,01905 m² et à la SUTRA réelle sans doute pas très loin de 0,024 m² (les mesures de soufflerie ne tiennent pas compte de la rotation des trains de roues), on constate que la surface de traînée réelle est "en gros" deux fois plus élevée .
Ce résidu de traînée de pression est équivalant à carré de 11 cm de côtés placé perpendiculaire à l'écoulement et qui ouvre un culot en permanence.
Ce résidu de traînée de pression provient sans doute des petits décollements résiduels, de la traînée des trains de roulements (roues tournantes), et des traînées d'interaction.

La traînée des trains de roulements (roues tournantes)
Minimisé par carénage total des roues dans des pantalons enveloppants. On ne distingue presque plus les pneumatiques.

Les traînées d'interaction entre les différents éléments de la carrosserie.
Les pantalons de roues sont inclinées de manière à donner du carrossage négatif. Cela permet d'augmenter l'angle de raccordement avec la carène et donc de minimiser les traînée d'interaction.

La traînée induite par la portance (dans le cas ou la forme fuselée génère une portance non nulle).
Sur la Pac Car II le problème semble réglé en donnant une incidence négative de 2,5° et une courbure très faible à la carène.

Charles MOCHET - VELOCAR - SUPERVELOCAR
Créateur du vélo à pédalage horizontal MOCHET (Vélo-Vélocar ou Vélorizontal)
Le Super Velocar, présente un très joli carènage, beau par sa simplicité.

(Courtoisie http://www.velorizontal.com/)

VECTOR

Concus au début des années 1980 pour la compétition, les Vectors furent les premiers vélomobiles à rechercher la performance pure.
La forme de carène suit un profil eiffel avec un maitre couple situé au premier tiers, et des rétreints très progressifs jusqu'à une arrête verticale au bord de fuite.
Les carènnages très enveloppants minimisaient la traînée des éléments roulants.

Reccord de l'heure (1980) : 59,45 km/h
Reccord de sprint 94,77 km/h
Sf.Cxp = 0.046 m²

(Courtoisie http://home.comcast.net/~jeff_wills/vector/vector.htm)

John Simon - MOBY streamliner

Reccord de sprint en 1985 : 95,11 km/h

(Courtoisie )

whitehawk

Essais en soufflerie

(Courtoisie )

DREAMLINER III

Le rapport d'essais aérodynamiques (Clic !)

Essais en soufflerie du DREAMLINER III.

Longueur : 5.36 m
Hauteur : 0.74 m
Largeur : 0.50 m, 0.57 au niveau des roues.
Masse avec pilote : 350 kg
Voie : 0.34 m
Moteur 353cc refroidissement liquide, deux cylindre, deux temps
Puissance : 50 cv
Moteur supplémentaire 85cc refroidie par air, monocylindre, 2 temps.
Puissance du moteur supplémentaire : 8 cv
Transmission par chaine.

(Courtoisie http://www.geocities.com/motorcity/2078/index.html)

BUB 7

BUB 7 est la moto la plus rapide du monde : 564,7 km/h
A noter, la petite dérive pour augmenter la stabilité de route à haute vitesse.
Sur la deuxième vidéo, on distingue bien l'épaissisement de la couche limite et l'augmentation du sillage en aval du carénage.

(Courtoisie http://www.seven-streamliner.com/)

Video des essais en soufflerie (clic !)

VARNA DIABLO

Le Varna Diablo 3 avec le Canadien Sam Whittingham à son guidon a pulvérisé son précédent record de vitesse pour VPH en atteignant 132 km/h (soit en gros un dixième de Mach !!!)
Poli aérodynamique, carénage enveloppant en berlingot afiné sur la poupe, surface frontale réduite au minimum, étagement des sections et SURTOUT, très gros potentiel du cycliste furent les recettes du succès !
Sf.Cxp = 0.02 m²

(Courtoisie )

ESSAIS aux fils de laine avec et sans verrière
Notez les écoulements décollés sur la poupe à l'origine des traînées de pression
La version complètement carénée présente une discontinuité du fuseau au maitre couple source potentielle de décollements..

(Courtoisie)

ESSAIS aux fils de laine d'un tricycle à carenage souple
Notez les écoulements décollés sur la poupe.

(Courtoisie)

ESSAIS aux fils de laine
Très intéressante visualisation aux fils de laine. Notez les décollements au niveau de "l'ouverture" des liserets. Le rétreint trop prononcé en arrière du cockpit conduit à des décollemnts à l'origine d'un petit culot aérodynamique.

(Courtoisie http://www.wisil.recumbents.com/)

ESSAIS aux fils de laine d'un VPH à carenage tissus
Notez la direction des fils de laîne au niveau de la tête du pilote !

(Courtoisie)

Simulation numérique des écoulements sur le casque d'un cycliste
On imagine bien le culot aérodynamique provoqué par la position non optimale de la tête du cycliste.
Sur la video ci dessous, on visualise le culot derrière le cycliste.

Répartition des champs de pression sur Ecomobile
On notera :

les zone de "surpression" en rouge sur la proue (zone idéalement placée pour une ouverture de ventilation)
Les zones de "dépression en bleu foncées, situées en gros au maître couple et au premier tiers du véhicule. La recompression de l'écoulement à partir de ce point de pression minimale est sujet aux risques de décollements d'où un rétreint TRES progressif jusqu'à la poupe pour essayer de "récupérer" la pression amont et minimiser ainsi la traînée de pression.
(Courtoisie)

Lignes de courant & champs de pression sur Vélomobile

(Courtoisie )

Vélo-couché caréné & surface frontale !

Spectaculaire photo d'un vélo couché caréné où il est indéniable que la position du pilote minimise la surface frontale. Malheureusement, il est fort probalbe que la traînée des deux roues dépasse en valeur la traînée de tout le reste du véhicule.

(Courtoisie)

Les "Chaise longue volantes" NSU de Gustav Adolf Baumm (1920 - 1955)

Adepte des motos couchés (!) Gustav Adolf Baumm artiste graphiste chevronné, avec l'aide des techniciens de NSU, dessina une carrosserie plus aérodynamique qui permit de briser 11 records mondiaux de vitesse en 1954.

1954/1955
151 km/h avec un moteur de 50cc
218 km/h avec un 125 cc

Pour les records de 1956 sur le grand lac salé la Baumm II a été modifié avec un moteur à compresseur de 50 cc (10 ch) qui lui permit d'atteindre 196 km / h, avec moteur de 100 cc (15,5 ch) 222 km/h et avec le moteur de la R11 125 cc ( 20 ch) 242 km/h.

Après la chute mortelle du dessinateur lors d'une manifestation de voitures en 1955 fut développé la Baumm III. Ce modèle était confortable et économique, HP Müller établi un record de consommation sur une distance de 500 km à la moyenne de 100 km/h et 1,13 l/100 km (5,65 l de carburant pour les 500 km).

(Courtoisie NSU)

NSU Delpin III

Véhicule de reccord NSU : 339,4 km/h avec un moteur de 500 cm3 en 1956.
Notez l'empennage vertical en guise de dérive pour améliorer la stabilité en lacet.

(Courtoisie NSU)

SOLAR CHALLENGE CAR
Voiture solaire en soufflerie. Sur la vidéo jointe, un essai aux fils de laine sur route ouverte. On distingue très nettement les décollements et le sillage engendré par le rétreint trop prononcé derrière le poste de pilotage.

(Courtoisie )

Coro-liner
Concilier légèreté et aérodynamisme : Carène en Coroplast autour d'un vélo couché.
Le constructeur à pu rouler à la vitesse moyenne de 53 km/h pendant 45 minutes, soit 13 km/h de mieux que sans carènage.
Le nez du carénage pivote en avant pour libérer l'accès et des "trappes à bombes" permettent le passage des pieds.

Spécifications techniques :

longueur : 2650 mm
Largeur : 460 mm
Hauteur hors tout : 1110 mm
Hauteur de carène : 860 mm
Garde au sol : 250 mm
Masse totale : 15.5 kg
Coût total : 80 €
Temps de fabrication : 80 heures
(Courtoisie http://www.recumbents.com)

Aérodynamique des AUTOMOBILES

Aerodynamique de la Daihatsu UFE3
Avec 1,39 litres aux 100 km Daïhatsu à démontré son savoir faire dans les véhicules économiques. Le secret : une masse à vide de 440 kg et une surface de traînée SUTRA=Sf.Cxp=0,235 m² ; (soit un Cxp=0,168).
La carène est un modèle de conception : fuseau en berlingot arrondie, pantalons de roue enveloppants avec arrête vive devant et rayon de raccordement derrière pour raccrocher l'écoulement perturbé par la rotation de la roue. Roues arrières entièrement carénnées.

(Courtoisie Daihatsu)

Essais à l'encre sur maquette de soufflerie
Visualisation des écoullements sur une maquette de soufflerie à l'aide de gouttes d'encres déposées avant l'essai. Les traînées laissées par l'encre permettent d'étudier les écouleemnts.

(Courtoisie GM)

Essais aux fils de laine sur automobile Tatra

Visualisation des décollements sur le rétreint trop prononcé d'une automobile Tatra. Etude en tunnel aérodynamique au moyen de fumées.

(Courtoisie )

Essais aux filets de fumées sur VW Coccinelle

Cette photo aimablement transmise par le Professeur Wolf-Heinrich Hucho (http://www.aerowolf.de/) présente une VW Coccinelle dans le tunnel aérodynamique de VW. On constate un décollement aérodynamique au niveau de la glace de custode.

(Courtoisie VW AG)

Essais aux filets de fumées sur maquette de VW Coccinelle à très faible nombre de Reynolds
Même essai aérodynamique mais à très faible nombre de Reynolds dans la soufflerie à fumées de l'association AERODYNE.

http://aerodyne-cachan.blogspot.com

Cette fois, le décollement laminaire à lieu prématurément au sommet du toit du véhicule. C'est un effet du très petit nombre de Reynolds, l'écoulement laminaire étant beaucoup plus instable que l'écoulement trubulent que l'on rencontre à plus fort Reynolds.

Ford Prob V
En 1985, Ford présentait son concept car Ford Probe V dont le Cxp atteignait 0,13 au prix d'une longueur de véhicule démesurée

(Courtoisie Ford)

KAMM
L'ingénieur Kamm avait étudié l'influence des rétreints tronqués sur l'aérodynamique des automobiles. Il était arrivé à la conclusion qu'une poupe tronquée au bon endroit entrainait une pénalisation en traînée acceptable eu égard à la diminution de l'encombrement que celà permettait.

(Courtoisie VW)

HONDA Insight

Etudes aérodynamique sur la Honda insight.
La honda insight avec sans poupe tronquée présente un Cxp = 0,25. (Masse à vide : 398 kg ; Cxp = 0,25 d'où une consomation de 3.6 L/100 Km)
La photo du bas représente une remorque "intégrée" aérodynamiquement à la carène de la voiture par des paroies souples qui permettent à l'ensemble de prendre des virages, accroisent l'effilement et font tomber le Cxp à 0,12.
Exemple probant, pour ceux qui en douterait, de l'efficacité aérodynamique d'une poupe éffilée (au détriment certes de l'encombrement).

(Courtoisie Honda)

Simulation du phénomène d'aspiration
(Courtoisie )

Essais aux fils de laine sur automobile SAAB

Modele de la SAAB en soufflerie.

(Courtoisie )

Visualisation de l'écoulement autour d'une automobile DS de citroën.

On constate un décollement important un peu avant le hayon arrière causant une traînée de culot importante. On peut noter également le très bon écoulement sans décollement sous la voiture.

(Courtoisie H. Werlé, ONERA)

Visualisation des tourbillons marginaux et de la déflexion.

Cette visualisation en soufflerie est réalisé par une grille sur laquelle sont fixés des fils de laine. On obtient ainsi une coupe du sillage. On visualise très bien les tourbillons marginaux et la déflexion induite par la portance crée par le véhicule.

(Courtoisie)

Essais en soufflerie SOCEMA - GREGOIRE
(Courtoisie)

Un joli plat de spaghetti : Décollements et traînée de culot

Visualisation aux fils de laine du colut aérodynamique sur une honda civic. sur le flanc gauche, un carénage supplémentaire en carton est ajouté pour vérifier l'influence sur les décollements.

(Courtoisie)

Trainée de pression et traînée induite sur formule 1
Paradoxalement les formules 1 ont des traînées déplorables (Cxp = 1 voir plus). En effet, la débauche de puissance de ces engins les contraint à rechercher des appuis aérodynamiques pour accélérer ou freiner.

(Courtoisie)

Décollements, recirculation et culots sur jeep
Visualisation avec des bulles d'hélium des décollements, de la recirculation et des culots sur une jeep.

(Courtoisie)

Filets de fumées sur BMW 328
Visualisation des écoulements aérodynamique à l'aide de fumées sur une BMW 328 à carène de type JAREY.

(Courtoisie)

Tricot sur NSU !
Test en soufflerie d'une NSU. Notez les décollements multiples au niveau des montants de pare brise ainsi que la direction peu ortodoxe des fils de laine sur les flancs.

(Courtoisie)

Naissance de l'aérodynamique des véhicules routiers !
Test en soufflerie d'automobile RUMPLER

(Courtoisie VW AG)

Bionic Car - Etude Mercedes pour un monospace !

En se basant sur l'étude des formes d'un poisson ;, les designers de Mercedes ont conçu ce petit monospace "bionic". A partir de l'étude d'un petit poisson tropical au Cxp étonnant de 0.06, les ingénieurs ont réalisé une première maquette de soufflerie à l'échelle 1/4 qui réussit à obtenir un Cxp = 0,095. L'utilisation des formes étudiées précédement sur un petit monospace à permis à Daimler-Chrysler d'optenir le Cxp reccord de 0,19 sur son bionic Car.

(Source MERCEDES

Décollement aérodynamique sur VW Beetle !

le est aux fils de laine montre des décollements qui n'interviennent que au niveau du par choc arrière de l'auto. Ceci est certainement du à la dépression engendrée par les puissants tourbillons marginaux dus à la cambrure importante du toit. Ce que l'on gagne en trainée de pression et en partie perdu en traînée induite par la portance.

(Courtoisie VW)

Aérodynamique des POIDS LOURDS

Simulation numériques des écoulements aérodynamiques sur un camion. Clic (5,8 Mo)
"L'aérodynamique : C'est une forme de politesse". Autre manière de dire que notre 38 tonnes ressemble à un pilier de rugby malpoli !
Décollements multiples dès le capot du tracteur !!

Simulation numériques des écoulements aérodynamiques sur le tracteur d'un semi remorque. Clic (5,3 Mo)
Le ruck violent entre le tracteur 'un semi remorque et les pauvres petites particules...!!

Essais Aérodynamiques correctifs sur camion (NASA)

Entre 1973 et 1982, le NASA Dryden Flight Research Center a mené une campagne d'essais de type "décéllération" afin de montrer les moyens de réduire la traînée des camions, autobus, automobiles et habitations. De nombreuses configurations ont été évaluées au moyen d'une camionette en forme de boîte, d'un camion à deux essieux, et d'un semi-remorque.

Les résultats de trois configurations d'essai de la camionette sont d'un grand intérêt pour l'industrie du transport lourd en démontrant la possibilité d'obtenir des Cxp = 0,25 pour les poids lourds.

Une troisième configuration de la camionette équipée d'une poupe tronquée à permis de réduire la traînée et d'atteindre un coefficient de traînée de Cxp = 0,242.

Le rapport d'essais :
Heavy-Duty Truck aerodynamic design

Heavy-Duty Truck aerodynamic design

Courtoisie NASA

(Courtoisie NASA)

GYROPHARE SAVONIUS.

Interaction — 2024-10-14T09:46:43Z

Le rotor de Savonius est une éolienne à axe vertical. Elle a été inventée par l'ingénieur finnois Sigurd SAVONIUS en 1924 et a été brevetée en 1929. Le fonctionnement du rotor de Savonius est basé sur un couple aérodynamique induit par la déflexion de l'écoulement sur les pales.

Le rotor de type Savonius, constitué schématiquement de deux ou plusieurs godets demi-cylindriques légèrement désaxés présente un grand nombre d'avantages. Outre son faible encombrement, qui permet d'intégrer l'éolienne aux bâtiments sans en dénaturer l'esthétique, il est peu bruyant. Il démarre à de faibles vitesses de vent et présente un couple élevé quoique variant de façon sinusoïdale au cours de la rotation. L'accroissement important de la masse en fonction de la dimension rend l'éolienne de type Savonius peu adaptée à la production de masse dans un parc à éoliennes.

On utilise l'éolienne Savonius pour des applications où l'on accorde plus d'importance au coût ou à la fiabilité qu'au rendement. Par exemple, la plupart des anémomètres sont des Savonius, car le rendement ne joue aucun rôle.

L'application la plus commune est le ventilateur Flettner, développé par l'ingénieur aéronautique allemand Anton Flettner dans les années 1920. Placé sur les toits des bus et des fourgonnettes, il en assure la ventilation et le refroidissement. Ce ventilateur utilise un rotor Savonius. Il est encore fabriqué par la société Flettner Ventilator Limited.

De petits rotors Savonius sont parfois utilisés à des fins publicitaires, la rotation attirant l'attention sur l'objet de la publicité. Les pales sont parfois décorées d'une animation à deux images.
(Source WIKIPEDIA)

Notre camarade Paul FAYS-LONG nous propose le petit montage ci-dessous qui permet de transformer un rotor de SAVONIUS en Gyrophare pour cycles. Les deux godets sont recouverts d'adhésifs rétroréfléchissants qui forment une animation lors de la rotation.

Aérodynamique transonique et supersonique

Interaction — 2024-10-14T09:46:35Z

Phénomènes de compressibilité

Phénomènes transsoniques sur avions :

Passage du mur du son par un F22 Raptor
Visualisation de l'onde de choc sur un F22 raptor à l'approche du mur du son.

F18
Visualisation de l'onde de choc sur un F18 à l'approche du mur du son. Une onde se forme également à l'emplacement de la verrière.

F18
Onde de choc sur un F18.
(Courtoisie www.airliners.net)

CONCORDE
Ondes de chocs sur maquette de concorde
(ONERA)

Passage du mur du son par un F14 :
Vidéo très impressionnante d'un F14 volant à vitesse transsonique à basse altitude. On voit parfaitement la formation du cone d'onde de choc.
Vidéo MPEG à télécharger

Choc transsonique
Visualisations avec bouillies de différentes couleurs : ''filets'' à l'intrados en rouge prés du bord d'attaque "issus de points de peinture" et bouillie jaune sur une grande partie de l'intrados certainement. C'est une aile en écoulement transsonique (Mach voisin sans doute de 0.8) dans une soufflerie à paroi perforées (c'est peut-être à ONERA S2 Modane).
On peut voir la trace d'un choc qui se situe à l'endroit ou les filets rouges sont déviés transversalement (cisaillement de la couche limite), et la partie colorée en jaune est la trace d'un décollement d'extrados (démarrant en envergure à partir de la cassure de bord de fuite) qui est matérialisé par le passage de la bouillie jaune de l'intrados à l'extrados en contournant le bord de fuite de l'aile. (la dépression intense dans le décollement d'extrados aspirant la peinture disposée à l'intrados) C'est un décollement dû à la recompression de l' écoulement qui n'est pas dû au choc lui-même (dans ce cas présent), mais au choix des profils dans une zone traditionnellement chargée en envergure pour ce type de voilure. Dans ce cas la voilure est le siège d'un buffeting établi qui génère des vibrations relativement intenses contrariant l'équilibre des coupes de champagne de la jet set voyagent dans ce genre de trapanelles........

(Merci à Alain BUGEAU pour le commentaire)

Correctifs transsoniques

En quoi l'addition de carénages fuselés sur le bord de fuite réduit-il les problèmes de décollements en transsonique ?

C'est une interaction favorable qui grâce au champ de survitesses induit par les carénages, tunnel de survitesse entre 2 carénages successifs (donc dépression relative entre les carénages) combat l'installation du choc ou au moins le reporte plus en aval de la corde de l'aile. Ce n'est pas visible sur la visu, mais peut-être la recompression sur le profil d'aile est faite de manière isentropique (sans choc), et donc sans création de trainée d'entropie (trainée de choc), jusqu'au bord de fuite.

Néanmoins, la présence de ces carénages ajoute de la trainée de frottement, il faut faire le bilan pour voir si c'est rentable ! Dans les "bonnes maisons" on essaye de résoudre le problème par travail des formes de profils (profils supercritiques) pour éviter les décollements au Mach de croisière. De plus, souvent, réduire le Mach de croisière de quelques points (des centièmes) permet déjà de diminuer le phénomène, voire de le supprimer. Je pense que cette solution est ancienne, je pense au Convair Coronado qui avait de tels dispositifs à l'extrados, ça date de la fin des années 50, début sixties.

(Merci à Alain BUGEAU pour le commentaire)

Aile volante Northop en vol transsonique

(Courtoisie www.jp-petit.com)

Onde de choc sur un cone en amont d'une entrée d'air

On visualise l'accrochage de l'onde de compression sur un cône en amont d'une entrée d'air. Les souris utilisées sur les chasseurs à réaction ont le même objectif.
(Courtoisie ONERA)

Passage du Mach sur lanceur spatiaux

SATURN V

On commence avec le plus légendaire des lanceurs spatiaux : La fusée SATURN V du programme APOLLO.
Dotée de 5 moteurs F1 de 650 à 700 tonnes de poussée nominale chacun, le premier étage de saturne V propulse la fusée pendant 150 secondes en consommant environ 2000 tonnes d'ergols (oxygène, kérosène. Au bout d'une minute de vol, la fusée passe le mur du son ce qui provoque une très jolie corole de condensation.

Un film en caméra à grande vitesse permet de voir la formation de cette corole (environ à 3 minutes) mais également le décollage etc .. Il est téléchargeable ici (14 Mo) .

Petit calcul de prof :
Juste avant l'extinction du premier étage, les cinq moteurs F1 propulsent Saturn V avec une poussée de 40 000 000 N (4000 tonnes-force) à la vitesse de 2750 m/s.
– Calculer la puissance utile développée par le premier étage de la fusée.
– Comparer cette puissance à la puissance d'une centrale nucléaire (900 MegaWatts)

Mach 1 en navette spatiale

La corolle matérialisant l'onde de choc lors du passage du mur du son est engendrée par la condensation en fines gouttelettes de la vapeur d'eau contenue dans l'air.

Ce dernier subit dans l'onde de choc une compression puis une détente adiabatique (très rapide) ce qui fait chuter sa température en dessous du point de rosée et provoque une brume de condensation visible.

ARES

Essai en soufflerie hypersonique du composite supérieur du lanceur ARES constitué de la tour d'extraction de sauvetage et de la capsule.

Puis essai "en vrai" !

CAPSULES SPATIALES

Essais en soufflerie des différents concepts de capsules spatiales

Onde de choc sur une maquette de navette

(Courtoisie ONERA)

Onde de choc sur une maquette de navette

(Courtoisie ONERA)

ONDES DE CHOCS - divers -

Visualisation de l'onde de choc d'une balle de revolver

Vitesse légèrement supersonique de la balle de revolver qui laisse derrière elle une onde de choc bien visible.

Porsch 944 à Mach 3 !

Ondes des chocs engendrées par une maquette de Porsche 944 à Mach 3 (nombre de Reynolds 63x10^6/m) .

Les couches limites sur le plancher et plafond du tunnel sont clairement visibles. Il se forme un choc en avant du véhicule, et une autre forme de choc, à la jonction du capot et du pare-brise. Ces chocs interagissent avec la couche limite sur le plafond, en produisant un choc de séparation qui se forme bien avant le point où les autres chocs se rejoignent, ce qui démontre l'influence en amont de cette interaction.

La photographie a été prise par John Donovan et Michael Selig.

La Traînée

Interaction — 2024-10-14T09:46:28Z

GODZILLA & la traînée de pression

Nul doute à la vue de cette photo de GODZILLA dans une soufflerie à fumées que la bête n'a pas suivi une évolution darwinienne vers la minimisation des décollements !
Décollements multiples et sillage fortement tourbillonnaire sont à l'origine d'une importante traînée de pression qui va forcément limiter la vitesse max du monstre. Il vous reste donc une chance de survivre en minimisant votre traînée. Bienvenue sur le site d'Inter Action :-)

Le P51B Mustang dans la soufflerie de Langley.

Le P51B Mustang de North American est la référence des années 40 en matière d'aérodynamique (Cfe=4/1000). Première application des profils laminaires développés par la NACA dans les années 30, traînées de refroidissement parfaitement maîtrisées, étagement des maîtres couples (loi des aires). A noter que la verrière en goutte d'eau du P51D dégradait un petit peu l'aérodynamique de ce chasseur.
(Gracieuseté NASA.)

Le P51 Mustang & le Wright Flyer en soufflerie.

60 ans d'écart entre ces deux photos. Que d'évolution entre les deux.

Essai aux fils de laine sur le Melmoth 1

Essais aux fils de laine dans le désert de Mojave. L'adhérence de la couche limite sur les volets et la déflexion de l'écoulement le long du fuselage et le décollement sous le stabilisateur et sous le fuselage sont clairement visibles.
http://www.melmoth2.com

Fils de laine sur les volets du Melmoth 1

Les volets à fente+bec sont déployés et l'on constate que l'écoulement n'est pas encore décollé. Les fils de laine restent stables.

Essais aux fils de laine sur GUPPY

Visualisations aux fils de laine de l'écoulement aérodynamique sur un fuselage de GUPPY. Des études exploratoires sont effectuées sur les raccordements ailes/fuselage et sur la dérive.
(Courtoisie http://www.allaboutguppys.com/)

Verrière bulle et tutle deck sur Me 262.

Les ingénieurs de chez Messerschmitt avaient effectué un certain nombre d'essais en vol afin d'observer l'influence de l'implantation d'une verrière bulle sur le Me 262 et en particulier les éventuels problèmes d'instabilité à faible vitesse engendrés par une baisse de la pression dynamique sur l'empennage.. Des photos très explicites montrent les décollements aérodynamiques visibles sur la version avec verrière bulle (rétreint important) alors que l'écoulement sur le cockpit " razorback " est parfait.

Test avec fils de laine sur RV6

Essais d'amélioration de saute vent sur RV6. L'angle du saut de vent originel est diminué par une feuille de Lexan qui forme un nouveau saute-vent. Aucun gain en perfos ne fut observés, confirmant ainsi la plus grande importance du rétreint derrière le maître couple de la verrière sur l'augmentation de traînée.

(Courtoisie www.vansairforce.com)

Tests avec fils de laine d'un KR2.

L'écoulement général est très bon mais de petits décollements apparaissent au niveau de l'ouie de refroidissement. Notez le très gracieux dos rond (turtle deck) de cet appareil.
(Courtoisie du constructeur.)

Visualisation des écoulements sur le dessous d'un fuselage d'aéro commander.

L'aérocommander 680 f du centre de recherche de la NASA est vu ici en vol avec des bandelettes scotchées sur l'intrados et les cotés du fuselage. La photo montre qu'il ni a aucun décollement.
(Courtoisie NASA.)

On notera aussi la forme particulière des nacelles motrices qui adoptent la géométrie d'un profil d'aile sans rajeunissement en largeur afin de diminuer les traînées d'inter action nacelles/ailes.
(Courtoisie NASA.)

Visualisation des écoulements à l'emplanture et sur l'empennage vertical.

Noter les décollements sur le bord d'attaque du gouvernail. Le fil de laine décollé par le tourbillon marginal sur le saumon de l'empennage horizontal. Enfin, les décollements au niveau du raccord Karman.
(Courtoisie NASA)

Visualisation des écoulements sur le retreint de fuselage et sur l'emplanture d'un planeur Pik 20.

Une série de 8 photos montre les écoulements sur le fuselage pour divers braquages des volets. On notera les décollements qui apparaissent sur l'intrados du fuselage et sur l'emplanture pour certains braquages de volets.
(Courtoisie )

Visualisation des écoulements sur le carénage de train d'un Quikie.

Très intérressantes études exploratoires aux fils de laine des décollements qui apparaissent sur le rétreint trop prononcé d'un carénage de roue.
(Courtoisie)

Visualisation des écoulements sur un colomban MCR

Notez le petit culot ouvert dans la zone de rétreint combiné du plan fixe et de la dérive
(Courtoisie Contrails.free.fr)

Visualisation des décollements derrière le cockpit d'un Zenair Zodiac

Peter Chapman a procédé au repérage des décollements sur son Zodiac.
Il est fort probable que quelques turbulateurs bien placés amélioreraient un petit peu la vitesse de croisière.
(Courtoisie du constructeur : Peter Chapman)

Diagnostic aux fils de laine sur maquette d'aile volante.

Etude de couche limite sur Bellanca Skyrocket III

Une étude de l'étendue de la laminarité fut exécutée par la NASA sur un Bellanca Skyrocket III. Une laminarité étendue sur 50% de la corde fut observée. Noter que les transitions prématurées de la couche limite sont engendrées par des particules un peu épaisses de naphtalène.
(Courtoisie du constructeur : AviaBellanca)

Visualisation de la transition laminaire - turbulent.

Un badigeonnage d'huile automobile chargée de pigments permet de mettre en évidence la zone de transition laminaire-turbulent (ici à environ 40% de la corde d'aile.)
(Courtoisie Genesis Groupe.)

Visualisation par huile usagée des décollements.

Visualisation par huile usagée des décollements au niveau de la jonction lame de train fuselage sur un Varieze. On peut également voir la transition laminaire turbulent sur la lame de train.

Visualisation des écoulements sur le retreint d'un fuselage de longez.

Le carénage inférieur n'est pas celui d'origine, mais une version modifiée par le constructeur amateur pour limiter les décollements. Le but est en partie atteint, mais on constate quand même des perturbations dans les angles rentrants dues à l'interaction des couches limites et surtout à la traînée d'inter action jambe de train/fuselage.
(Courtoisie www.ez.org.)

Etudes aérodynamiques de Etienne-Jules Marey (1830-1904).

Marey n'est pas étranger aux balbutiements de l'aviation. Il connaît tous ces travaux, suit les recherches de Pénaud, écrit des articles dans la revue de Hureau de Villeneuve L'Aéronaute, et sera même vice-président de la Société de navigation aérienne en 1874.

Conscient que "Les genres de locomotion les plus parfaits que l'homme ait réalisés sont en général obtenus par des moyens assez différents de ceux de la nature." , Marey soutient les travaux de son ami Victor Tatin dont le projet est de construire non pas un ballon ou une machine imitant le vol de l'insecte ou de l'oiseau, mais un aéroplane. Il met à la disposition de l'aéronaute les laboratoires et terrains de la Station Physiologique.

Les expériences photographiques.

Les décollements visualisés par Marey.

Etienne Jules Marey à l'aide de sa boîte à fumées prit les premières photos d'écoulements aérodynamiques.

Les décollements visualisés sur une sphère, une ellipsoïde, un profil.

La légende pourrait être :"Choisissez votre camp !"
On notera que même l'ellipsoïde présente des décollements au niveau du rétreint aval. D'où l'importance de bien refermer progressivement les fuselages pour éviter les traînées de culot.
(Illustrations extraites du livre : "Album of fluide motion" de Van DYCK.)

Les expériences d'écoulements laminaires et turbulents.

(Courtoisie de l'ONERA, Werlé 1980.)

Prandtl

Ecoulements autour d'un cylindre. La fin de l'animation montre la désintégration du tourbillon (vortex) symétrique.
Ce type d'écoulement peut s'observer quand on touille une tasse de café.

Les différents régimes d'écoulement autour d'une sphère.

Dans cette expérience, on visualise les interactions d'un écoulement et d'une sphère. Le fluide venant du haut épouse d'abord la surface de la sphère avant de décoller au maître-couple. Se forment alors, par bouffées périodiques, des nappes fortement turbulentes.
Dans l'image de gauche, l'écoulement laminaire sur la partie supérieure de la sphère décroche brutalement au niveau du maître couple. Dans l'image ci dessous, le passage laminaire/turbulent est forcé grâce à un fil placé sur la circonférence de la sphère. On constate que la couche turbulente adhère mieux à la surface de la sphère.

Explications détaillées.

De telles visualisations sont effectuées en tunnel hydrodynamique, où l'eau s'écoule à relativement faible vitesse. Elles caractérisent des phénomènes qui ont aussi lieu dans l'air à des vitesses bien plus élevées. C'est souvent cette analogie hydraulique qui permet de voir et comprendre dans l'eau ce qui reste invisible et énigmatique dans l'air.
Ce cas d'école sert à la compréhension fondamentale de la résistance à l'avancement des corps dans les fluides. Ainsi, on distingue ici les "nappes tourbillonnaires" qui se développent à l'aval de la sphère ; elles dissipent de l'énergie et sont à l'origine de la traînée, ou résistance à l'avancement.
(Courtoisie ONERA par l'intermédiaire de Thibaut Cammermans.)

[lien vers https://www.onera.fr/fr]

Un Varieze dans la soufflerie du NACA.

Des tests on été conduits dans une soufflerie pour déterminer les interactions du canard sur la voilure principale.

Piaggio P-180 essayée en soufflerie.

Très belle prise de vue des écoulements sur une maquette de Piaggio P-180 essayée en soufflerie. On remarque le passage laminaire Turbulent entre le deuxième et le troisième bandeau de couleur rouge sur le nez du fuselage. Notez aussi la déflexion de l'air au-dessus de l'aile.
(Courtoisie magazine EXPERIMENTAL).

Déflexion et interactions de refroidissement sur Wildcat.

Des essais de visualisation des écoulements par fils de laine mettent en évidence la déflexion très importante des filets d'air en amont du bord d'attaque.

Trainées d'interactions aile fuselage sur un Cirrus.

Ces très belles photos d'un Cirrus VK30 en configuration d'atterrissage montrent très bien les décollements massifs qui apparaissent à l'emplanture de l'aile et sur l'extrados de celle ci. On notera que l'écoulement vient perturber l'empennage vertical inférieur.

Visualisation du culot derrière une ogive d'obus.

La traînée de pression apparait lorsque des décollements de fluide empêchent la recompression. C'est ce qui se passe ici ! Un vortex de forme torique se forme dans le sillage de l'obus. Son mouvement de rotation est entretenu par frottement visqueux sur les filets fluides périphériques.
(Courtoisie H. Werlé, ONERA).

Visualisation des décollements derrière un disque.

(Courtoisie H. Werlé, ONERA).

Visualisation par colorants des écoulements sur le fuselage d'un F18.

Notez les traces d'écoulements 2 alpha sur le nez ainsi que la trace très nette des tourbillons d'apex.
(Courtoisie NASA).

Ecoulement sur une forme fuselée ellipsoïdale.

Notez l'incidence 2 alpha des filets fluides ainsi que les deux tourbillons naissant en aval.
(Courtoisie ONERA par l'intermédiaire de Thibaut Cammermans.)

Ecoulement sur une forme fuselée cylindrique.

Notez l'incidence 2 alpha des filets fluides ainsi que les deux tourbillons naissant en aval.

Ecoulement sur un corps fuselé.

Notez les filets fluides qui s'organisent en deux tourbillons trombes.
(Courtoisie ONERA.)

Visualisation des Traces d'écoulement des deux tourbillons trombes sur une forme fuselée cylindrique en incidence.

Notez les filets fluides qui s'organisent en deux tourbillons trombes.
(Courtoisie ONERA.)

Visualisation des deux tourbillons trombes sur une forme fuselée cylindrique en incidence.

Notez les filets fluides qui s'organisent en deux tourbillons trombes.
(Courtoisie ONERA.)

Mise au point des Capots NACA

Mise au point des Capots NACA dans le tunnel de Langley. Cette innovation à permis un essort important des bombardiers quadrimoteurs en diminuant les traînées des nacelles motrices. A noter qu'en France, l'ingénieur Mercier avait mis au point un système encore plus performant qui équipa notament les LEO 45.
(Courtoisie NACA.)

Aerodynamique des projectiles subsoniques.

Rue de tourbillons de Von Karman en aval d'un tablier de pont.

Visualisation en tunnel à fumées des tourbillons de Von Karman engendrés par le tablier d'un pont. Ces tourbillons alternés, en se couplant éventuellement avec un mode de résonnance de la structure, peuvent entrainer un phénomène de résonnance aéroélastique (flutter) et la destruction du pont. La destruction du pont de Takoma est un exemple très célèbre de ce phénomène

Rue de tourbillons alternés de VON KARMAN dans un écoulement à très grand nombre de Reynolds.

Les rues de tourbillons alternés de Von KARMAN observées de puis l'espace le sont également en aval de la pile d'un pont sur une rivière !
(Courtoisie NASA.)

La Portance

Interaction — 2024-10-14T09:46:24Z

DESCRIPTION PHYSIQUE DE LA PORTANCE

La portance résulte de la déflexion vers le bas d'un débit massique d'air (Newton)

L'air, fluide dans lequel évolue les aéronefs est un milieu qui "cède" à la poussée. Autrement dit, l'air se dérobe lorsque l'on cherche à s'appuyer dessus.

Si l'on veut obtenir une portance dynamique (par opposition à la portance aérostatique d'Archimède des ballons et dirigeables) il faut éjecter en permanence un débit massique de fluide vers le bas (éjection d'une certaine quantité de mouvement), en échange de quoi, d'après une loi de Newton, on récupère une force vers le haut.

En aviation, cette masse à éjecter vers le bas pour voler, on a tout intérêt à ne pas l'embarquer à bord. L'avion baignant dans l'air, on éjectera de l'air, tout simplement !

La « machine » servant à éjecter de l'air vers le bas s'appelle « aile ».

Elle « prend » de l'air en avant de l'avion (en fait, c'est l'air qui arrive dessus « tout seul » à une certaine vitesse horizontale « V ») et défléchit cet air suivant un certain angle en le rejetant vers l'arrière et vers le bas.

Pour réussir cette opération, l'aile s'appuie sur une propriété du fluide (l'air) dans laquelle elle baigne, qu'on nomme viscosité.

La viscosité de l'air impose à celui-ci d'épouser la paroi intrados et extrados (Effet COANDA).

Au « démarrage » de l'aile sur la piste, l'air commence à contourner le bord de fuite, en raison de la faiblesse des forces d'inertie par rapport aux forces de viscosité. Ce rapport de forces s'appelle le nombre de Reynolds et il est très faible, au démarrage du mouvement.

L'augmentation des forces d'inertie rend à un moment le contournement du bord de fuite difficile puis impossible. Se détache alors un tourbillon qu'on appelle libre (parce qu'il reste sur la piste quand l'avion décolle). Ce tourbillon libre est la cause de la déflexion de l'air par l'aile. Ou la conséquence, on ne peut pas savoir ! Le pourquoi du comment est finalement secondaire, il faut voir les choses globalement :

Une chose est sûre finalement, l'aile éjecte de l'air vers le bas (déflexion d'un débit massique : Newton) grâce à la viscosité de l'air (effet Coanda). Ceci engendre une survitesse à l'extrados et une sous-vitesse à l'intrados qui trahissent l'apparition d'une circulation du tourbillon lié à l'aile (Magnus - Prandtl)à l'origine de l'effet Bernouilli

* COMMENT L'AILE DEVIE L'AIR VERS LE BAS ? L'EFFET COANDA :

Quand on place une cuillère sous un robinet d'eau comme sur la figure ci-jointe, on s'aperçoit que les filets d'eau suivent la courbure de la cuillère.

Ce comportement du fluide est dû à des forces agissant entre les molécules d'eau, des forces intermoléculaires à l'origine de la viscosité.

Il s'explique au premier ordre et pour simplifier par une « attirance » d'une première couche de molécules d'eau à la paroi de la cuillère, puis entre couches suivantes et successives d'eau.

* L'EFFET MAGNUS, naissance du modèle de TOURBILLON LIE ou CIRCULATION :

Ecoulement autour d'un cylindre en rotation

Cette animation montre l'effet Magnus à l'origine de l'apparition de la deflexion et donc de la portance.

Ecoulement autour d'un profil d'aile.

Cette animation montre le décollement du tourbillon libre, à l'origine de l'apparition de la deflexion et donc de la portance du profil.

Prandtl devant la cuve à fluide avec laquelle il fit les photos ci dessus

Nul besoin de codes de calculs et d'ordinateurs surpuissants pour élaborer des théories et produire des résultats concrets

DEFLEXION, TOURBILLONS, VORTEX, REPARTITION ELLIPTIQUE

APOCALYSPE ?...no ! déflexion et vortex derrière un C130 Hercules

Superbe photo de la déflexion et des tourbillons marginaux qui apparaissent en aval de l'aile.

(photo U.S. Coast Guard.)

Rue de déflexion et Tourbillons marginaux (vortex)

Rue de déflexion derrière un Learjet.

Une belle visualisaton des tourbillons marginaux derrière un avion de ligne.

Notez les ronds de fumées qui se forment dans les tourbillons marginaux. ils résultent d'une instabilité de ces derniers.

(photo Tyler ROGOWAY.)

Visualisation de la Deflexion
Un visualise parfaitement sur ces magnifiques photos de Paul BOWEN la tranchée creusée dans les nuages par le passage d'un avion d'affaires. On perçoit mieux l'éjection de gaz (déflexion de l'air) vers le bas à l'origine du phénomène de portance.
Merci à François BESSE, magazine PILOTER

Déflexion sur un Caudron Rafale

On visualise la trace de l'écoulement de l'air au dessus de l'aile et par conséquent la déflexion du flux d'air grâce à une trainée d'huile qui s'achappe du moteur sur un Caudron Rafale.

(photo aimablement transmise par Mr Airy Millet.)

Visualisation de la Deflexion et des tourbillons marginaux, dans le sillage d'un C130

Cette petite vidéo exceptionnelles permet de mettre en évidence la déflexion dans le sillage d'un C130 Hercules qui tire une volée de leures thermiques.

Enroulement de la nappe tourbillonnaire en deux grands tourbillons marginaux (vortex).

Un C17 apraprs un tir de leurs thermiques.

Ces petites vidéos exceptionnelles permettent de mettre en évidence la déflexion dans le sillage d'un C130 Hercules qui tire une volée de leurres thermiques. On voit également l'enroulement de la nappe tourbillonnaire en deux grands tourbillons marginaux (vortex).

Déflexion et Tourbillons marginaux (vortex)

Rue de déflexion derrière un transport de troupe C17.

Déflexion et Tourbillons marginaux (vortex)

Rue de déflexion derrière un magnifique TU95.

Rue de déflexion et Tourbillons marginaux (vortex)

Rue de déflexion derrière un Saab

Rue de déflexion et Tourbillons marginaux (vortex)

Rue de déflexion derrière un Learjet.

Déflexion et Tourbillons marginaux (vortex)

Très belle photographie d'un liner perçant la couche de brume

www.airliners.net

Deflexion, tourbillons, vortex, répartition elliptique

Effets de la portance extraite du film "Pearl Harbor".

Très belle visualisation des effets de la portance extraite du film "Pearl Harbor". Deux avions P40 traversent un mur de fumée et mettent en évidence la déflexion et les tourbillons marginaux.

Tourbillon marginal (vortex)

Visualisation particulièrement spéctaculaire du Tourbillon marginal (vortex) engendré par le passage d'un Piper Pawnee dans une nappe de fumigènes.
(Gracieuseté de la NACA.)
Catapultage d'un F18.
(http://www.patricksaviation.com/)
Tourbillon marginal (vortex)
Très belles photos d'un vol de patrouille de F18. On notera l'instabilité des tourbillons marginaux qui ont tendance à se déliter sous la forme de petits tores.
(http://www.patricksaviation.com/)
Tourbillons marginaux (vortex)
Visualisation des vortex engendrés par l'hypersustentation d'un avion de ligne. On distingue très nettement l'enroulement des tourbillons marginaux en aval de l'avion.
(Merci Airy Millet)
Tourbillons marginaux (vortex)
Au soleil couchant, les deux tourbillons des volets et la répartition élliptique de la portance matérialisé par la condensation de l'humidité de l'air.
(Merci Airy Millet)
Tourbillons marginaux (vortex)
(Merci Airy Millet)

Tourbillons marginaux (vortex)

Essais en soufflerie d'une maquette de 747 catapultée à travers un voile de fumées (click).

Visualisation en tunnel hydrodynamique du tourbillon marginal.

Cette très belle photo prise par Mr Werlé, célèbre aérodynamicien de l'ONERA permet de bien visualiser l'écoulement qui forme le tourbillon marginal sur le saumon.

(Gracieuseté ONERA).

Visualisation en tunnel hydrodynamique du tourbillon marginal.
L'enroulement de la nappe de tourbillons qui se détache le long du saumon d'une aile droite en incidence est un exemple classique d'un vortex concentré stable. Le sens de rotation, le diamètre et le pas de la ligne de courant hélicoïdale du tourbillon sont révélés par traceurs liquides de différentes couleurs. Henri Werlé.

(Gracieuseté ONERA).

vortex-aile

Très belle vue de l'écoulement autour d'une aile de faible allongement.

(ONERA).

REPARTITION ELLIPTIQUE DE LA PORTANCE

Répartition elliptique de la portance

Visualisation particulièrement spectaculaire de la répartition elliptique de la portance sur une aile de F18.
(www.steehouwer.com)

Répartition élliptique de la portance sur une aile de F18.
(Gracieuseté de www.steehouwer.com).

Une belle vue des tourbillons marginaux et de la dépression d'extrados.
(Ces deux dèrnière photos sont extraites du site : www.steehouwer.com)

Répartition elliptique de la portance, tourbillons marginaux, nappes tourbillonnaires....
(www.steehouwer.com)

Une photo particulièrement démonstrative.
On y voit concumitamment la déflexion de l'aile, les tourbillons marginaux et la répartition elliptique de la portance.
(Gracieuseté de M. Scott Eberhardt).

Répartition élliptique de la portance !!! :-)
("Le grand cirque", Pierre CLosterman).

L'HYPERSUSTENTATION

L'hypersustentation du Breguet 940 & 941.

L'entreprise Breguet a poussé très loin les recherches sur les ailes hypersustentées par soufflage. Le Breguet 940 puis 941 démontrèrent l'extrême efficacité de ces systèmes qui nécessitent néanmoins une complication mécanique pour en assurer la fiabilité.
Le principe de base est de dévier le souffle des hélices pour créer une poussée verticale. La portance maximale est multipliée par un facteur de trois à quatre. S'inspirant du concept développé par Breguet la NASA a procédé à des essais présentés dans le rapport D TN-4448.

Ce rapport montre qu'une combinaison d'hélices couvrant la majeure partie de l'envergure de l'aile permet d'augmenter jusqu'à 4 fois le coefficient de portance maximal. Combinées à des volets le Czmax peut être augmenté d'un facteur 8. Evidemment au prix d'un très fort moment de tangage à piquer qu'il faut pouvoir équilibrer.

Systèmes d'hypersustentation sur un Boeing C17.

Le cahier des charges du Boeing C17 imposait l'usage de pistes courtes et donc la nécessité d'une hypersustentation efficace. Le centre de recherche de Langley avait développé des systèmes hypersustentateurs soufflés : les flux des moteurs sont dirigés directement sur des systèmes de volets à fentes multiples ce qui accroît considérablement le Cz max. L'utilisation de turboréacteurs à simple flux de l'époque engendrait des problèmes thermiques conséquents et des risques importants en cas de panne d'un des moteurs. Mais l'apparition des réacteurs à double flux avec l'abaissement des températures des gaz éjectés et l'augmentation des débits d'air disponibles a permis le développement des ces techniques.

(Gracieuseté NASA-LANGLEY).

Les dispositifs hypersustentateur du Boeing 747.

LE DECROCHAGE, LA PERTE DE PORTANCE

Visualisation du décollement de la couche limite à l'approche du décrochage.

(Gracieuseté de l'ONERA).

Visualisation du décollement de la couche limite à l'approche du décrochage.

Visualisation du puissant tourbillon de retour lors d'un décrochage dynamique.

Visualisation du décrochage sur une aile de BD5 modifiée. Noter comment le gonflement des bords d'attaque sur le reste de l'aile protège les zones concernées d'un décrochage anticipé..

(Gracieuseté de Sport Aviation ; aout & septembre 1986 ; Seth Anderson.)

Visualisation sur une plage d'incidence

Compilation d'images prises lors d'un essai aux fils de laine sur une plage d'incidence de 0 à 26°. Les photos ont été prises dans la soufflerie de Kirsten en utilisant des minis fils de laine fluorescents. Notez comment le décollement commence à l'extérieur de l'aile et progresse vers l'intérieur. Notez aussi comment le décollement est retardé en arrière de la nacelle. .

Ecoulement tourbillonnaire derrière une paire d'aérofreins déployés.

A noter les tourbillons alternés qui s'organisent en rue conformément aux prédictions de Von Karman.

ECOULEMENTS SUR AILE EN FLECHE

Aile en flèche
Vue de l'écoulement sur une aile en flèche.

(ONERA).

Aile en flèche à Mach 0,85
Visualisation de l'écoulement transversal de la couche limite et de la séparation induite par l'onde de choc sur la partie externe de l'aile.

(NASA).

ECOULEMENTS SUR AILE DELTA

Ecoulement sur une aile delta
Notez la puissance des deux tourbillons marginaux..
(Gracieuseté ONERA.)

Ecoulement sur une aile delta
Visualisation des tourbillons trombes engendrés par la mise en incidence d'une aile delta dans un écoulement.
(ONERA.)

Etudes des écoulements sur une aile delta en vol libre.
Visualisation par filets de fumées.
(Gracieuseté NACA)

Eclatement de vortex sur une aile delta à haute incidence.
Sur une aile delta, les tourbillons trombes (vortex) éclatent naturellement à forte incidence et une chute de portance consécutive est observée sur la partie de la voilure affectée par ce phénomène. Cette rupture du système tourbillonnaire peut compromettre la stabilité en tangage (apparition de vibrations, tremblement), en particulier à des angles d'attaque supérieurs à celui normalement utilisé pour l'atterrissage.
Cette visualisation dans un tunnel à l'eau est assez similaire à celle observée par la NASA au cours des essais en vol.

(Henri Werlé, ONERA)

Essais en tunnel hydrodynamique d'une maquette de Concorde

(Source ONERA.)

Tourbillons qui se forment, à l'atterrissage, au bord de fuite sur Concorde

(Source ONERA.)

Vidéo des essais en tunnel hydrodynamique d'une maquette de Concorde

Un grand merci au ouaibemaître de l'ONERA qui par son humble travail de mise en ligne, compense le souverain mépris de cette organisation vis à vis de ceux qui la finance !
(Source ONERA.)

Concorde à l'incidence d'atterrissage
(Source Werlé ONERA.)

Visualisation des écoulements d'apex sur un F18 aux grands angles
On notera l'écoulement particulièrement erratique sur l'aile, matérialisé par des fils de laine.
(Gracieuseté NASA)

Visualisation en tunnel à eau des écoulements sur le fuselage et la voilure d'un F18
Une maquette au 1/48 est placée dans un tunnel à eau. Des colorants sont injectés à différents niveaux de la maquette pour visualiser les écoulements. On remarque la très forte interaction des tourbillons d'apex sur la voilure.
(Gracieuseté NASA).

Visualisation en tunnel à eau des écoulements sur le fuselage et la voilure d'un F18
(Gracieuseté NASA).

Visualisation en tunnel à eau des écoulements sur le fuselage et la voilure d'un F18
Notez l'incidence 2 alpha des filets fluides sur le nez.
(Gracieuseté NASA).

Tourbillon d'apex (vortex)

Tourbillons d'apex sur F16 et F18.
Sur la plupart des chasseurs modernes, des apex ou des plans canards sont disposés en amont de la voilure principale. Cette dernière tend à réduire sa flèche afin d'améliorer les performances à basses vitesses. Du coup la voilure principale risque d'avoir une incidence de décrochage plus faible qu'une aile delta avec une perte de portance brutale. Les surfaces placées en amont de la voilure, en générant de puissants tourbillons, permettent de maintenir une portance tourbillonnaire même à grande incidence, aux dépens bien sûr de la trainée qui augmente fortement.

Naissance des tourbillons d'apex sur un F18 des Blue Angels. Notez sur la photo de droite le bel enroulement des tourbillons d'apex qui viennent redynamiser fortement la couche limite sur l'extrados de l'aile.

Materialisation des champs de pression
Matérialisation des champs de pression sur une aile de F14. Notez l'influence des accidents locaux de forme sur les champs de pression en particulier au niveau des supports d'armement sur l'aile.

(http://www.patricksaviation.com/).

LE VOL ANIMAL

Vol du papillon
Très belle vidéo du vol du papillon dans une boite à fumées. On visualise la déflexion à l'origine de la portance.

(photo aimablement transmise par M. Jérémy DURAND.)

Vol des oiseaux
Récupération de la déflexion ascendante en bout d'aile du volatile précédent.
L'oiseau de tête viendra reprendre sa place dans la formation au bout d'un certain temps. Les Grecs y voyaient un modèle de démocratie.

(photo aimablement transmise par M. Paul LUCAS.)

Vol des oiseaux - animations

L'HELICE & LA PROPULSION

Visualisation du sillage laissé par une hélice conçu pour un avion volant à 700 km/h.

(Gracieuseté de l'ONERA).

Tourbillons en marge d'une hélice qui tourne. Ils sont, ici, matérialisés par des fumées allant de droite à gauche. En haut et à droite, on aperçoit une pale de l'hélice.

Système tourbillonnaire derrière une hélices (vortex)

Visualisation de la contraction de la veine d'air

(Gracieuseté de Ratier Figeac).

Système tourbillonnaire
Système tourbillonnaire derrière les hélices d'un AIRBUS A400M.

Système tourbillonnaire derrière les hélices d'un C130 Hercules (Merci à Jeremy Durand).
Sur la photo de droite ; un C130 des Blue Angels au décollage.

La condensation de l'eau contenue dans l'air provient de la violente chute de pression au coeur du tourbillon marginal qui prend naissance au saumon de la pale d'hélice. Ce vortex dont l'intensité va croissante plus on se rapproche de son centre (comme un cyclone) centrifuge l'air et donc fait diminuer la pression de manière adiabatique (sans échanges de de chaleur avec l'extérieur), ce qui engendre une baisse de la température (comme quand on décapsule un soda) et la condensation de la vapeur d'eau.

Système tourbillonnaire derrière les hélices d'un Yak (Merci à Jeremy Durand).

Ligne d'émission, visualisation du tourbillon marginal.
(Source Valensi ; Rebuffet)

Système tourbillonnaire mis en évidence dans un tunnel à eau.

Ligne d'émission, visualisation du tourbillon marginal.
(sources Werlé)

VTOL & HELICOPTERES

Hélicoptère en tunnel hydrodynamique
(Source ONERA)