soufflerie aérodynamique.

soufflerie aérodynamique. 1 PRÉSENTATION soufflerie aérodynamique, dispositif expérimental utilisé en aérodynamique pour simuler les conditions rencontrées par tout corps se déplaçant dans l'air. Un corps étudié dans une soufflerie est placé, immobile, dans un écoulement artificiel d'air ou de gaz. 2 HISTORIQUE On attribue à Léonard de Vinci l'invention du principe des souffleries aérodynamiques en 1484 : le corps à étudier est soumis à l'action d'un écoulement d'air artificiel, créé par éjection d'air comprimé ( voir fluides, mécanique des). Vers le début du XXe siècle, on utilisa un ventilateur pour créer le courant d'air. Cependant, on se rendit compte que l'aspiration de l'air était plus efficace que le soufflage. En effet, dans le premier cas, l'écoulement est plus régulier dans le temps et dans l'espace. En 1909, Gustave Eiffel utilisa une soufflerie qui contenait les deux organes essentiels que l'on retrouve dans les souffleries modernes, à savoir le collecteur et le diffuseur (voir ci-après). De nos jours, il existe quelques centaines de souffleries dans le monde. Leur puissance varie de plusieurs dizaines de watts à plus de 100 MW. On se sert des souffleries pour étudier les avions civils et militaires, ainsi que les missiles, les hélicoptères, les équipements spatiaux, tels que certaines sondes, et les projectiles. La taille des souffleries impose l'utilisation de maquettes des corps à étudier. On s'intéressera plus particulièrement aux souffleries dans le domaine de l'aéronautique. 3 TYPES D'ESSAIS Il existe deux principaux types d'essais. Les premiers s'effectuent dans les grandes souffleries industrielles, dont la section de la zone d'essai, ou veine, atteint plusieurs mètres de diamètre. Il s'agit des essais de synthèse effectués sur les maquettes de grande taille, géométriquement proches des avions finaux. Par exemple, la soufflerie gigantesque du centre de recherche de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) peut accueillir un aéronef d'une envergure de 22 m. En France, des organismes comme l'Onera (Office national d'études et de recherches aérospatiales) ou le CEAT (Centre d'études aéronautiques de Toulouse) disposent de souffleries de taille importante, comme celles de Modane-Avrieux, en Savoie. Dans le domaine des véhicules terrestres, l'IAT (Institut aérotechnique) est équipé de plusieurs souffleries de grande taille. Le second type d'essais s'effectue dans les souffleries de laboratoire, de dimensions généralement modestes (section de veine de quelques décimètres carrés). Ces essais permettent d'établir des banques de données caractérisant le champ aérodynamique des corps étudiés. Ils sont utilisés pour créer ou contrôler des modèles théoriques servant aux calculs numériques. D'autres types d'essais, situés entre ces deux extrêmes, sont réalisés dans les souffleries de recherche, de taille intermédiaire. 4 TYPES DE SOUFFLERIES Selon la valeur du nombre de Mach (M) que l'on désire obtenir, on utilise une soufflerie subsonique (M < 0,8), transsonique (0,8 < M < 1,2), supersonique (1,2 < M < 5) ou hypersonique (M > 5). Les dimensions de la veine, et en particulier la section de celle-ci, constituent souvent un problème crucial. En effet, plus elles sont importantes, plus il est difficile de produire et de conserver un flux d'air à grande vitesse dans la soufflerie. Ce problème est majeur dans les souffleries supersoniques et hypersoniques, où les besoins en énergie sont si importants que l'on doit se contenter de veines de petites dimensions. 4.1 Souffleries subsoniques (M < 0,8) Elles sont principalement constituées des parties suivantes, en circuit fermé : -- le collecteur, qui accélère l'écoulement de l'air jusqu'à la valeur souhaitée dans la veine. Le collecteur est muni de grillages pour régulariser l'écoulement ; -- la veine d'essai, où l'on place la maquette étudiée ; -- le diffuseur divergent, où l'écoulement est comprimé et ralenti simultanément ; -- des ventilateurs ; -- un réfrigérant, qui évacue la puissance fournie par les ventilateurs et qui régule la température. Pour les essais à faible vitesse, on utilise l'air ambiant, car on peut négliger les évolutions de pression et de température de l'air. L'écoulement de l'air sur la maquette est visualisé par des filets de fumée. Pour les essais approchant Mach 6, il est nécessaire d'utiliser de l'air désséché ou légèrement réchauffé, afin d'éviter l'éventuelle condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'air de la soufflerie. 4.2 Souffleries transsoniques (0,8 < M < 1,2) Elles sont globalement constituées des mêmes éléments et fonctionnent selon le même principe que les souffleries subsoniques. Cependant, au voisinage de Mach 1, certains problèmes se posent pour la maquette. Il peut se produire un « blocage d'écoulement « dans la veine, qui empêche d'atteindre Mach 1 en amont de la maquette. Le problème est résolu lorsqu'une partie de l'écoulement est absorbée par des parois perméables de la veine. D'autre part, au voisinage de Mach 1, il se forme des ondes de choc qui produisent des réflexions parasites. Le concept des « parois adaptables « permet de résoudre les phénomènes de parois, mais il est délicat à mettre en oeuvre. Construite conjointement par la France, l'Allemagne, la Grande- Bretagne et les Pays-Bas, la soufflerie transsonique européenne (ETW) de Cologne est un exemple performant de soufflerie transsonique. 4.3 Souffleries supersoniques (1,2 < M < 5) Elles sont constituées des éléments suivants : -- un réservoir en amont, où le fluide est immobile, ou bien un compresseur ; -- une tuyère, dont le profil permet d'obtenir un écoulement uniforme dans la zone d'essai ; -- un second col de section réglable. Dans une tuyère supersonique, le nombre de Mach d'un gaz dépend uniquement de la forme de la tuyère. On emploie souvent des tuyères à section rectangulaire pour des raisons de commodité. 4.4 Souffleries hypersoniques (M > 5) On y étudie le vol des engins balistiques, des avions de transport à très grande vitesse et des véhicules spatiaux. Les conditions extrêmes de température et de pression des vols hypersoniques sont difficiles à reproduire. C'est pourquoi il existe un grand nombre de souffleries hypersoniques. Cependant, ce sont quasiment toutes des souffleries opérationnelles pendant seulement un court instant, ou souffleries « à rafales «, car elles utilisent une détente explosive de gaz pour propulser l'air. 4.4.1 Les souffleries tièdes À des nombres de Mach élevés, l'air tend à se liquéfier ; les souffleries tièdes permettent d'éviter cette transformation. Dans ces souffleries, du gaz chaud s'écoule sur la maquette ; des instruments mesurent les mouvements du gaz et le dégagement de chaleur. Les températures n'excèdent pas 1 200 K (environ 930 °C). Ainsi, les conditions d'un vol hypersonique ne sont pas parfaitement reconstituées. 4.4.2 Les souffleries à enthalpie élevée Les températures dépassent ici 2 500 K (environ 2 230 °C). Les rafales sont donc extrêmement courtes et nécessitent une très grande quantité d'énergie. D'autres souffleries sont spécialement conçues pour simuler les conditions des altitudes très élevées et étudier les performances des aéronefs. On a ainsi reproduit les conditions d'altitudes allant jusqu'à 145 km. On peut ainsi simuler le fonctionnement d'un réacteur en vol dans la haute atmosphère (voir Propulsion à réaction). À Cleveland, l'une des souffleries du laboratoire de propulsion en vol Lewis de la NASA peut tester des réacteurs en taille réelle, pour des vitesses maximales de 3 860 km/h, et des altidudes de 30,5 km. Voir aussi Aérospatiale, industrie.