AÉRODYNAMIQUE

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L'objet de l'aérodynamique est l'étude de l'écoulement de l'air autour d'un corps, en général un véhicule aérien ou terrestre, mais aussi un ouvrage d'art, un aubage de turbomachine, une éolienne, ou bien encore un casque profilé de sportif. En effet, tout fluide s'écoulant sur une surface matérielle exerce sur celle-ci des actions de contact (pression et frottement) dont la résultante sur l'ensemble du corps est une force appelée résultante aérodynamique. Cette force s'applique en un point appelé centre de poussée qui, en règle générale, ne coïncide pas avec le centre de gravité du corps, où s'exerce le poids résultant de celui-ci. La présence de ces deux centres de forces différentes induit un moment aérodynamique tendant à faire tournoyer le corps autour de son centre de gravité. Le premier but de l'aérodynamique est de déterminer les composantes de cette force et de ce moment, l'ensemble constituant ce que l'on appelle le torseur aérodynamique.

La résultante aérodynamique est décomposée selon un système d'axes liés au vecteur vitesse de déplacement du véhicule V : la composante selon V (axe x) est la traînée qui s'oppose à l'avancement du véhicule et doit être compensée par un groupe propulseur (fig. 1). La composante perpendiculaire à V (axe z) et contenue dans le plan de symétrie du véhicule est appelée la portance. La composante selon le troisième axe y, perpendiculaire au plan de symétrie du véhicule, est la force latérale. Pour un avion, la portance est une force dirigée vers le haut qui compense le poids de l'avion. Elle définit la capacité d'emport de l'appareil, donc la charge utile (nombres de passagers, masse de fret). Pour une automobile, on cherche une portance dirigée vers le sol qui plaque le véhicule sur la route. L'importance de la traînée détermine la force propulsive à exercer pour accélérer ou maintenir le véhicule en marche. C'est une donnée capitale qui définit la consommation en carburant. La force latérale joue un rôle essentiel dans la stabilité du véhicule. C'est par exemple l'effet d'un fort vent latéral sur la tenue de route d'une voiture.

Les sciences de l'aérodynamique

Outre la maîtrise de la traînée et de la portance, l'aérodynamique doit aussi prédire les efforts locaux exercés sur le corps, en particulier la pression, afin de calculer les déformations de sa structure. L'influence réciproque entre la structure, qui en se déformant modifie le champ aérodynamique, et l'écoulement, qui de ce fait impose à la structure une charge qui a varié, est à l'origine d'un couplage fluide-structure pouvant conduire à des situations dangereuses comme le flottement, dont un exemple fameux est la rupture du pont suspendu de Tacoma sous l'effet d'une tempête (fig. 2). L'étude de ce phénomène qui intéresse presque tous les domaines de l'aérodynamique (notamment les aubes de compresseur ou de turbine, les pales d'hélicoptère ou d'éolienne) relève de l'aéroélasticité.

L'aéroacoustique s'attache à réduire le bruit émis par la couche limite turbulente du fuselage, par les décollements se produisant sur certaines parties du véhicule, par les jets des réacteurs, ou encore engendré par une hélice, un rotor d'hélicoptère, une éolienne. Par exemple, le bruit d'origine aérodynamique est un souci pour les véhicules terrestres, son niveau dépassant le bruit de roulement au-delà de 300 km/h pour les trains et de 120 km/h pour les voitures.

Les transferts de chaleur par convection et/ou rayonnement entre l'écoulement et la paroi sont du ressort de l'aérothermique. Ces aspects jouent un rôle essentiel en hypersonique où le véhicule est soumis à des échauffements intenses lors d'une rentrée dans l'atmosphère. Un écoulement peut aussi servir à refroidir des parties chaudes comme dans un radiateur ou échangeur thermique

Dans le domaine de l'armement, le rayonnement infrarouge des jets des avions de combat, ou bien des échappements moteurs des hélicoptères, est utilisé par les autodirecteurs des missiles pour guider ces derniers vers leur cible. La furtivité, c'est-à-dire l'aptitude d'un avion de combat à échapper à la détection radar, impose des formes bien particulières, ce qui oblige à reconsidérer leur aérodynamique.

L'impact de l'aérodynamique est aussi particulièrement sensible dans la recherche des économies d'énergie, de la réduction des nuisances externes pouvant affecter l'environnement au passage du véhicule (bruit, pollution), amenant à concevoir des véhicules dont l'aérodynamique devra être particulièrement soignée, en vue de réduire la traînée en particulier.

D'une manière générale, l'aérodynamique – perçue comme une science ou technique du mouvement des fluides – intéresse encore bien d'autres domaines tels que la ventilation, la climatisation (on parle d'aéraulique), la construction des bâtiments et des ouvrages d'art, la fonderie des métaux, les processus industriels les plus divers, etc. Dans le domaine de la propulsion et de la production d'énergie (moteurs à explosion pour les voitures, réacteurs pour les avions, turbogénérateurs pour les centrales thermiques, etc.), l'aérodynamique joue aussi un rôle clé, ces machines mettant en œuvre des fluides qui peuvent atteindre des vitesses supersoniques.

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Aérodynamique: simulation numérique sur un avion Falcon

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Écoulement aérodynamique

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Soufflerie transsonique S1, Modane

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Visualisation aérodynamique en soufflerie sur un avion de combat

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Écrit par :

  • : professeur associé à l'université de Paris-Ouest-Nanterre-La Défense
  • : directeur de recherche émérite à l'Office national d'études et de recherches aérospatiales (O.N.E.R.A.)
  • : chef d'unité de recherche à l'Office national d'études et de recherches aérospatiales (O.N.E.R.A.)

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Pour citer l’article

Bruno CHANETZ, Jean DÉLERY, Jean-Pierre VEUILLOT, « AÉRODYNAMIQUE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 30 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/aerodynamique/