AÉRODYNAMIQUE

Les moyens expérimentaux : souffleries et méthodes de mesure

Le moyen d'essai au sol qu'est une soufflerie aérodynamique repose sur le principe que les forces s'exerçant sur un corps baigné par un fluide sont les mêmes que le corps se déplace à travers le fluide au repos ou que le fluide s'écoule autour du corps immobile avec la même vitesse relative. Ce changement de repère pose un problème quand on étudie des véhicules terrestres se déplaçant sur une route ou sur une voie ferrée. L'effet de sol influence l'écoulement ; or, dans un référentiel soufflerie, le véhicule est fixe. Pour reproduire cet effet, il faut que le sol défile à la vitesse de l'écoulement amont et, pour cela, le véhicule essayé doit être monté au-dessus d'un tapis roulant reproduisant ce défilement.

Une soufflerie est constituée d'une veine d'essai placée dans un circuit où un courant d'air est entretenu par un ventilateur ou un compresseur (fig. 3). On distingue les souffleries de type Eiffel en circuit ouvert dans lesquelles l'air est rejeté dans l'atmosphère et les souffleries de type Prandtl où l'air est remis en circulation à la sortie de la veine d'essai grâce à un circuit de retour. Ce second type d'installation, plus économique sur le plan énergétique, peut nécessiter l'adjonction sur le circuit d'un échangeur thermique afin d'évacuer l'énergie du ventilateur ou du compresseur entretenant le mouvement et éviter ainsi un échauffement du courant d'air.

Le respect de la similitude entre les essais en vol et les essais au sol a conduit dans un premier temps les concepteurs de soufflerie à édifier des installations aptes à étudier de véritables avions. Toutefois, avec l'augmentation des vitesses de vol et de la taille des avions, on a dû se résoudre à essayer en soufflerie des maquettes dont les dimensions sont bien inférieures à celles de l'avion. En revanche, les constructeurs automobiles utilisent couramment des souffleries où sont essayés des véhicules en grandeur réelle, mais il est vrai aussi que les vitesses d'essai sont faibles comparées à celles rencontrées en aviation.

L'exécution d'essais sur maquette nécessite de satisfaire des conditions de similitude permettant de transposer au vol réel des résultats obtenus sur maquette en soufflerie. Une première condition est la similitude géométrique, la maquette devant reproduire le plus fidèlement possible la forme du véhicule. Il s'agit aussi d'assurer l'égalité de nombres sans dimensions, ou paramètres de similitudes, dont les plus importants en aérodynamique classique sont le nombre de Reynolds Re, qui caractérise les effets de la viscosité de l'air et en particulier la traînée, et le nombre de Mach.

Le nombre de Reynolds d'essai Re = ρVL/μ est en général plus faible que dans la réalité, la maquette étant plus petite que le véhicule réel. Faute de pouvoir jouer sur les dimensions de la maquette et sur la vitesse, le nombre de Reynolds d'essai peut être augmenté en accroissant la masse volumique ρ du gaz, ce qui est réalisé par augmentation de la pression (cas des souffleries dites pressurisées) ou par diminution de la température en injectant dans le circuit de l'azote liquide (cas des souffleries dites cryogéniques). En outre, le refroidissement du gaz diminue la viscosité moléculaire, ce qui contribue à augmenter le nombre de Reynolds d'essai. Pressurisation et cryogénisation sont combinées dans l'European Transonic Wind tunnel (ETW) installé à Cologne en Allemagne, qui peut simuler des nombres de Reynolds identiques à ceux des avions gros porteurs actuels.

Le nombre de Mach M est un paramètre essentiel du vol à grande vitesse car il régit les effets dits de compressibilité qui font que la mise en vitesse de l'air[...]