SOUFFLERIES

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Souffleries : schémas de principe

Souffleries : schémas de principe
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Gustave Eiffel

Gustave Eiffel
Crédits : Laboratoire aérodynamique Eiffel

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Soufflerie Eiffel

Soufflerie Eiffel
Crédits : J.-M. Seguin/ CSTB/ Laboratoire aérodynamique Eiffel

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Soufflerie hypersonique F4 du Fauga-Mauzac (France)

Soufflerie hypersonique F4 du Fauga-Mauzac (France)
Crédits : ONERA

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Voler plus haut, plus vite, préserver la vie des pilotes d’essais et des passagers, autant de défis relevés par l’homme depuis l’aube du xxe siècle, quand les pionniers de l’aviation s’attachèrent à faire décoller des engins plus lourds que l’air et à les maintenir en sustentation. Contemporaines des premiers exploits aériens, les souffleries aérodynamiques, en recréant artificiellement les conditions rencontrées lors d’un vol, ont puissamment concouru aux progrès de l’aéronautique.

Mais l’utilisation de ces souffleries n’est pas limitée à l’aéronautique. La recherche de meilleures performances, associée au souci d'économies d'énergie, incite les constructeurs de véhicules terrestres à réaliser des essais aérodynamiques. Les bâtiments et ouvrages d'art sont aussi concernés. Les maquettes des ponts de Normandie et de Millau ont été testées en soufflerie. Les skieurs et les cyclistes ont également recours aux essais en soufflerie pour expérimenter de nouveaux équipements ou optimiser leur position.

De la naissance aux premières évolutions des souffleries

Définition de la soufflerie

Les souffleries sont des installations (tunnels de forme circulaire, elliptique ou rectangulaire) dans lesquelles le vent est produit par des ventilateurs ou au moyen d’air comprimé afin d’étudier et de mesurer l’action de cet écoulement d’air sur un corps solide. La veine d’essai représente la partie du circuit où est disposé le corps à étudier. Inventés à la fin du xixe siècle, ces laboratoires aérodynamiques ont pris leur essor au début du xxe siècle. Le procédé repose sur le principe de relativité énoncé par Isaac Newton dès 1687 : les forces qui s'exercent sur un corps plongé dans un fluide et ce fluide sont les mêmes, que le corps se déplace avec une certaine vitesse à travers le fluide au repos ou que le fluide se déplace avec la même vitesse relative par rapport au corps qui, lui, est immobile.

La soufflerie porte un nom impropre puisqu’elle est encore aujourd’hui désignée par le moyen de mise en mouvement de l’air des premières installations – un ventilateur qui soufflait de l’air en amont (par rapport au sens de l’écoulement) de la veine d’essai – alors que très rapidement on a préféré disposer le ventilateur en aval de cette veine, d’où le mode de fonctionnement usuel par aspiration. Le terme soufflerie est resté en français. Les autres pays précurseurs dans la science du vol nomment de manière plus juste cette installation : wind tunnel (tunnel à vent) en anglais, Windkanal (canal à vent) en allemand, galleria aerodinamica (tunnel aérodynamique) en italien et aerodinamicheskaya truba (tuyau aérodynamique) en russe, ce qui ne préjuge pas de la manière dont l’air est mis en mouvement dans le circuit.

Les souffleries ont grandement contribué au développement de l’aviation ; elles ont réduit le nombre d’accidents, en sauvegardant ainsi la vie des pilotes et en préservant le matériel. Elles ont aussi permis de passer du « flair » des constructeurs à « l’art » de l’ingénieur.

Les moyens d’investigation concurrents des souffleries

La soufflerie constitue un moyen d’investigation expérimental, très commode, qui s’est rapidement imposé au détriment des moyens alternatifs reposant sur le déplacement direct de l’objet dans l’air, soit par :

– Mouvement rectiligne horizontal : cas des essais d’avion réalisés par la société allemande Siemens en 1901 sur un train lancé à 160 km/h, procédé repris par l’Institut aéro-technique (I.A.T.) de Saint-Cyr-l’École en 1909 grâce à une voie de chemin de fer privée de 1,4 km mise en place pour tester des matériels ; essais de profils d’ailes, expérimentés par Armand de Gramont (le duc de Guiche) sur son véhicule automobile.

– Mouvement rectiligne vertical : cas de la chute libre guidée réalisée en 1908 par Gustave Eiffel à partir du deuxième étage de la tour éponyme.

– Combinaison des deux précédents moyens en réalisant une tyrolienne qui profite des effets de la gravité pour mettre en mouvement un objet le long d’un câble tendu : moyen expérimenté en 1904 par Ferdinand Ferber, en profitant de la déclivité du vallon de Meudon pour lancer son avion, suspendu à un chariot glissant le long d’un câble tendu entre des pylônes. Gustave Eiffel avait aussi envisagé un tel dispositif – qu’il avait appelé aérodrome – à partir du premier étage de sa tour, avant d’entreprendre la réalisation de sa soufflerie.

– Mouvement circulaire : il s’agit de tester des objets au bout de bras rotatifs de grande portée ; ce moyen permet d’accéder à des vitesses tangentielles d’autant plus importantes que le bras est long et la vitesse de rotation grande. Un tel dispositif a été mis en place en 1906 à l’I.A.T.

Les premières souffleries

Si les premières souffleries connues en Grande-Bretagne fonctionnent par éjection d'air comprimé (installation de Francis Venham, 1871, puis celle d’Horatio Phillips, 1884), rapidement l'air est mû par un ventilateur qui, disposé à l’amont du tunnel, souffle sur le corps qui est situé à l'autre extrémité. Ces souffleries sont dues à Charles Renard (France, 1896), Hiram Maxim (Grande-Bretagne, 1896), Konstantin Tsiolkovski (Russie, 1897), Orville et Wilbur Wright (États-Unis, 1901), et Auguste Rateau (France, 1909). Il faut également mentionner la soufflerie dite machine à fumée d’Étienne-Jules Marey (France, 1899) qui a permis la réalisation des premières visualisations des écoulements fluides.

L’introduction de l’aspiration et du collecteur dans les souffleries

Le passage du soufflage à l’aspiration constitue une étape importante dans l’art des souffleries. Le ventilateur est désormais disposé en aval de la veine d’essai ; de ce fait, il ne perturbe plus la maquette, ce qui constitue une grande amélioration de la qualité de l’écoulement. Selon ce principe fonctionnent les souffleries de Nikolai Zhukovski (Russie, 1902), Thomas Stanton (Grande-Bretagne, 1903), Dimitri Riabouchinski (Russie, 1905), Gustave Eiffel (France, 1909). Les souffleries à aspiration se sont développées très rapidement : il existe actuellement plusieurs centaines d'installations importantes de ce type dans le monde, alors qu'il y en avait moins d'une dizaine avant 1914.

Souffleries : schémas de principe

Souffleries : schémas de principe

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Dans une soufflerie subsonique (vitesse de l'écoulement inférieure à Mach 1), le ventilateur, localisé à l'aval de la veine d'essai, aspire l'air dont la vitesse croît au niveau du collecteur (convergent) et décroît au niveau du diffuseur (divergent). On peut ainsi étudier les effets de... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Une autre évolution consiste en l’introduction du collecteur. Disposée en amont de la veine d’essai, cette pièce convergente (c’est-à-dire allant en s’amincissant vers la veine d’essai) permet d’augmenter la vitesse dans cette veine d’essai en vertu de la loi de conservation du débit qui s’exprime, pour un écoulement incompressible, par VS = constante, où V représente la vitesse de l’écoulement et S la surface dans la section considérée.

La soufflerie Eiffel à Auteuil (France)

Gustave Eiffel est à l’origine d’une innovation capitale, qui consiste à intercaler, entre la veine d’essai et le ventilateur situé en aval, une pièce divergente (c’est-à-dire allant en s’élargissant vers le ventilateur) appelée le diffuseur. Ce dispositif permet de diminuer drastiquement la puissance nécessaire au fonctionnement de l’installation. Son efficacité découle de la loi de Bernoulli, qui stipule que la pression et la vitesse varient en sens inverse. De fait, le diffuseur, en diminuant la vitesse, a pour effet de comprimer l’air. La différence de pression de part et d’autre du ventilateur est alors très inférieure à celle qui règne lorsque le ventilateur est situé directement en aval de la veine d’essai. Le diffuseur permet ainsi de diminuer la puissance nécessaire à l’extraction de l’air. Gustave Eiffel résumait ainsi la situation : « Le diffuseur économise donc en somme les deux tiers de la puissance. L’avantage de ce système de récupération est manifeste. »

Gustave Eiffel

Gustave Eiffel

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Gustave Eiffel, surtout connu pour ses constructions métalliques dont la fameuse tour qui porte son nom à Paris, a également été l'un des pionniers de l'aérodynamique. Il a notamment construit une soufflerie au pied de la tour Eiffel, opérationnelle en 1909 (et qui sera ensuite reconstruite... 

Crédits : Laboratoire aérodynamique Eiffel

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La soufflerie dite de type Eiffel date de 1912. Bénéficiant de l’invention du diffuseur (brevet d’Eiffel datant du 28 novembre 1911), elle a été construite à Auteuil et inaugurée le 19 mars 1912. Elle provient du transfert de la première soufflerie de Gustave Eiffel, installée en 1909 au Champ-de-Mars, au pied de la tour Eiffel. Cette soufflerie de 1909 atteignait une vitesse de 18 m/s dans une section d’essai circulaire de 1,5 mètre de diamètre. Elle était mue par un ventilateur actionné par un moteur d’une puissance de 50 chevaux. Avec ce même moteur, la nouvelle soufflerie, dotée d’un diffuseur, atteint 32 m/s (soit une augmentation de 78 p. 100 de la vitesse) dans une section de 2 mètres de diamètre (soit une augmentation de 78 p. 100 également), d’où un gain en débit de plus de 200 p. 100.

Soufflerie Eiffel

Soufflerie Eiffel

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Aquarelle représentant en coupe longitudinale la soufflerie du laboratoire aérodynamique Eiffel, construite en 1912, rue Boileau dans le quartier d'Auteuil à Paris. On peut distinguer de gauche à droite : le collecteur, la chambre d'essai, le diffuseur puis le ventilateur qui aspire l'air.... 

Crédits : J.-M. Seguin/ CSTB/ Laboratoire aérodynamique Eiffel

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La soufflerie Prandtl à Göttingen (Allemagne)

Une autre innovation majeure consiste à faire évoluer l’air dans un circuit fermé. La première installation de ce genre a été réalisée à l’université de Göttingen par Ludwig Prandtl en 1909. C’est une soufflerie dite à retour : l’air, après avoir été aspiré en aval de la veine d’essai, est guidé à travers quatre coudes successifs, puis admis de nouveau en amont du collecteur. Cette soufflerie de type Prandtl – ou de type Göttingen – conduit à un meilleur rendement énergétique qu’une soufflerie en circuit ouvert (type Eiffel) et permet une maîtrise des conditions d’essai (pression, température, hygrométrie).

Les souffleries modernes combinent l’innovation de Prandtl (le circuit fermé) et celle d’Eiffel (le diffuseur).

Des gigantesques installations du début du XXe siècle aux souffleries pressurisées et cryogéniques

Les règles de similitude

Dans le courant du xxe siècle, l’évolution des souffleries s’est poursuivie, dictée par l’impérieuse nécessité de respecter des règles de similitude afin de garantir la validité des essais à échelle réduite. Ainsi la maquette doit avoir la même forme géométrique que l’objet original. La deuxième condition impose de respecter les caractéristiques de l’écoulement, c’est-à-dire son nombre de Mach M (M = V/a, avec V qui représente la vitesse de l’écoulement et a celle du son), ce qui revient en soufflerie subsonique (vitesse inférieure à celle du son) à respecter la vitesse de l’écoulement. La troisième grande règle de similitude consiste à réaliser des essais en conservant, autant que faire se peut, le nombre de Reynolds (Re) de l’écoulement réel. Ce nombre, caractéristique de l’objet se déplaçant dans le fluide en première approximation immobile, est sans dimension. Il est défini par :

Re = ρVL / μ

ρ est la masse volumique de l’écoulement réel, V sa vitesse et μ sa viscosité dynamique, et L la longueur caractéristique de l’objet réel étudié.

Sous réserve que l’on parvienne à obtenir en soufflerie les mêmes caractéristiques que l’air réel (masse volumique et viscosité) et que celui-ci se déplace à la même vitesse, le nombre de Reynolds ne sera parfaitement respecté que pour une maquette à l’échelle 1. Les premières souffleries – de taille modeste – ne permettaient donc pas de reproduire le nombre réel de Reynolds. Aussi, dans un premier temps, la taille des souffleries s’accroît afin de pouvoir étudier des avions à taille réelle, soit à l’échelle 1, ce qui satisfait immédiatement la condition sur le nombre de Reynolds.

L’augmentation rapide de taille des aéronefs n’a cependant pas permis une croissance corrélative de la taille des installations. On expérimente alors de nouveau des maquettes à échelle réduite. Pour respecter le nombre de Reynolds, on joue sur les autres paramètres de la formule que sont la masse volumique (en pressurisant le fluide) et la viscosité (en refroidissant le fluide).

La grande soufflerie de Meudon (France)

Antonin Lapresle, collaborateur puis successeur d’Eiffel à la soufflerie du Champ-de-Mars, conçoit, à la demande du ministère de l’Air, la grande soufflerie de Chalais-Meudon (Hauts-de-Seine) qui sera construite entre 1932 et 1934 pour des essais sur des avions à taille réelle. De type Eiffel, celle-ci est munie d’un collecteur de rapport de réduction 3,5 (c’est-à-dire passant d’une embouchure de 350 m2 de surface à une section d’entrée de la veine d’essai de 100 m2) qui capte l’air extérieur et lui permet d’atteindre une vitesse maximale de 180 km/h. Son diffuseur, constitué d’un tube géant en forme de cône tronqué (de section elliptique d’axe vertical 10 m et d’axe horizontal 18 m), est réalisé en béton armé d’une épaisseur de 70 millimètres pour 38 mètres de longueur. En aval du diffuseur, la chambre d’aspiration, dotée de six ventilateurs de 1000 chevaux chacun, permet l’extraction de l’air. L’installation, devenue obsolète, a été désaffectée en 1977. Classée monument historique en 2000, cette installation avait permis de tester, au cours de nombreux programmes nationaux, l’aérodynamique des avions, des automobiles et des bâtiments.

La soufflerie F1 du Fauga-Mauzac (France)

Pour prendre le relais de la grande soufflerie de Meudon, d’autres installations voient le jour. Pour les essais aéronautiques, une soufflerie pressurisée F1 est construite près de Toulouse, à Fauga-Mauzac. Opérationnelle depuis 1974, cette soufflerie à circuit fermé présente une veine d’essai rectangulaire (4,5 m x 3,5 m), où la vitesse d’écoulement atteint 430 km/h. La pressurisation de l’installation – jusqu’à 0,385 mégapascals (MPa) – permet d’accroître la masse volumique de l’écoulement, d’où le maintien d’un nombre de Reynolds élevé compensant la taille réduite de la maquette imposée par les dimensions relativement modestes de la soufflerie. Il n’est cependant pas possible, par pressurisation, de gagner plus d’un facteur 4 sur le nombre de Reynolds car apparaissent alors de très gros efforts dynamiques sur les structures (parois, planchers) qui, de ce fait, se déforment.

Soufflerie hypersonique F4 du Fauga-Mauzac (France)

Soufflerie hypersonique F4 du Fauga-Mauzac (France)

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Installée près de Toulouse, la soufflerie hypersonique F4 du Fauga-Mauzac est destinée à étudier la phase d'entrée dans l'atmosphère de véhicules spatiaux. Pour cela, elle délivre des écoulements atteignant des vitesses de plus de 16 000 km/h pendant des durées de 100 à 200 ms. La... 

Crédits : ONERA

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La soufflerie ETW (European Transonic Wind Tunnel) de Cologne (Allemagne)

Afin d’obtenir un nombre de Reynolds élevé, proche de celui qui caractérise les gros porteurs civils actuels, on choisit de jouer aussi sur la viscosité dynamique μ de l’air, qui est proportionnelle à la racine carrée de la température. En refroidissant le circuit, on obtient une soufflerie cryogénique. Non seulement le nombre de Reynolds augmente, en raison de la viscosité qui diminue (car située au dénominateur dans la formule du nombre de Reynolds), mais le refroidissement induit également une hausse de la masse volumique – via la loi des gaz parfaits p = ρrT, où p est la pression, ρ la masse volumique, r une constante égale à 287 et T la température exprimée en kelvins –, ce qui contribue à l’augmentation du nombre de Reynolds. Une telle installation a été réalisée à Cologne en Allemagne. Il s’agit de la soufflerie ETW dans laquelle règne un écoulement à très basse température obtenu par refroidissement de l’air au moyen d’une circulation interne d’azote liquide à —160 0C dans la paroi. Cette installation atteint Mach 1,35. C’est une soufflerie dite transsonique (car la vitesse de l’écoulement est de l’ordre de Mach 1).

Évolution des souffleries vers les domaines supersonique et hypersonique

Particularités des écoulements supersoniques

La course à la vitesse a rendu nécessaire la réalisation d’installations encore plus performantes. Il en résulte la création de souffleries transsonique (vitesse de l’ordre de Mach 1), supersonique (de Mach 1 à Mach 4) et hypersonique (à partir de Mach 5). Les écoulements supersoniques obéissent à des lois fondamentalement différentes de celles qui régissent les écoulements subsoniques. La relation d’Hugoniot permet de distinguer ces deux états. Elle exprime, en l’absence de frottement, la relation de la vitesse V du fluide le long du conduit de la soufflerie de section courante A le nombre de Mach est M :

où dA est la variation de section et dV la variation de vitesse.

Souffleries subsoniques et transsoniques

Souffleries subsoniques et transsoniques

tableau

Quelques exemples de souffleries subsoniques (vitesse de l'écoulement inférieure à Mach 1) et transsoniques (vitesse d'écoulement autour de Mach 1) et leurs caractéristiques techniques. L'abréviation WT signifie Wind Tunnel, nom sous lequel  les anglo-saxons désignent la soufflerie. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Souffleries supersoniques et hypersoniques

Souffleries supersoniques et hypersoniques

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Quelques exemples de souffleries supersoniques (vitesse de l'écoulement comprise de Mach 1 à Mach 4) et hypersoniques (à partir de Mach 5). Dans ces installations, la dimension de la section de la veine d'essai est généralement de l'ordre du mètre. Quant aux effets de gaz réels, ils sont... 

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Ainsi en écoulement subsonique (M <1), le facteur M2 —1 est négatif, ce qui entraîne une variation de A et V en sens inverse. Ainsi, la vitesse croît dans les sections convergentes (collecteur), puisque la section du conduit diminue, et décroît dans des sections divergentes tel le diffuseur subsonique présenté précédemment. En revanche, pour le régime supersonique (M >1), le facteur M2 —1 devient positif. Il s’ensuit que la vitesse croît dans des sections divergentes (puisque la section du tunnel augmente) et décroît dans des sections convergentes (puisque la section du tunnel diminue). De ce fait, dans le domaine supersonique, le diffuseur – dont le rôle est de diminuer la vitesse afin de diminuer la puissance nécessaire pour extraire l’air – doit avoir une forme divergente. Une autre conséquence de cette relation réside dans l’obtention de l’écoulement sonique (M = 1) dans une section d’aire minimale appelée col. L’air est mis en mouvement grâce à un ventilateur ou par tout autre moyen permettant d’établir une dépression dans le circuit.

Soufflerie supersonique

Du fait de la particularité des écoulements, la réalisation d’une soufflerie supersonique requiert la mise en place successive d’un convergent, qui augmente la vitesse de l’écoulement alors subsonique jusqu’à l’obtention de Mach 1 au col, lui-même suivi d’un divergent (appelé tuyère) à l’intérieur duquel la vitesse de l’écoulement devenu supersonique augmente. Ce dispositif convergent-divergent a été conçu par l’ingénieur suédois Carl Gustav de Laval en 1890. C’est l’ingénieur suisse Jacob Ackeret qui construisit sur ce concept la première soufflerie supersonique en 1935. L’écoulement supersonique a sa part de mystère et on a longtemps cru qu’on ne pouvait pas atteindre la vitesse du son, d’où l’expression de « mur du son », qui est restée. Cela est dû à l’augmentation brutale de la traînée qui s’oppose à l’avancement au voisinage de Mach 1. Aussi, l’augmentation de la puissance propulsive des avions, contrebalancée par l’augmentation corrélative de la traînée, laissait supposer que cette barrière était infranchissable.

Soufflerie hypersonique

L’obtention d’écoulements au-delà de Mach 4 requiert un chauffage préalable de l’air avant sa détente dans la tuyère sous peine de le liquéfier. Les écoulements à partir de Mach 4 ou Mach 5 sont souvent qualifiés d’écoulements hypersoniques. Ils concernent principalement le domaine des fusées ou des véhicules spatiaux. Outre la nécessité de réchauffer l’air en amont de la tuyère, les souffleries hypersoniques requièrent aussi une puissance accrue pour amorcer le col, ce qui signifie obtenir Mach 1. En effet, il est nécessaire d’établir une différence de pression entre l’amont et l’aval de la tuyère qui soit suffisante pour créer les conditions favorables à cet amorçage, par une forte compression en amont ou par une intense dépression en aval, ou par la combinaison des deux effets. De fait, ce type de soufflerie, compte tenu des puissances mises en jeu, est le plus souvent « à rafales », c'est-à-dire qu’au contraire des souffleries continues, capables d’aspirer des heures durant, elles opèrent pendant une brève durée (de quelques secondes à quelques minutes) qui est déterminée par la capacité des réservoirs amont d’air comprimé et/ou celle des réservoirs aval à vide, lesquels permettent l’obtention d’une dépression importante permettant l’aspiration de l’air.

Des souffleries pour les avions

La soufflerie S1 de Modane (France)

Parmi les centaines de souffleries en service dans le monde entier, la plus impressionnante est certainement la soufflerie S1 de l’O.N.E.R.A. (Office national d’études et de recherches aérospatiales) à Modane, en Savoie, avec une puissance de 88 mégawatts (MW), soit plus que celle du porte-avions Charles-de-Gaulle. Ses performances sont dues aux ingénieurs allemands qui avaient entrepris sa construction dans les Alpes autrichiennes durant la Seconde Guerre mondiale. Inachevée à la fin de ce conflit, elle fut transférée en France comme prise de guerre. Elle a été mise en service en 1952.

Soufflerie S1, Modane (France)

Soufflerie S1, Modane (France)

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Vue de la plus grande soufflerie sonique du monde : celle de Modane, en Savoie. C'est là que les maquettes des plus grands programmes aéronautiques français et européens ont été testées. Fonctionnant en circuit fermé (matérialisé par les structures de forme circulaire), cette soufflerie,... 

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La circulation d’air est assurée par deux roues d’un diamètre de 15 mètres tournant en sens inverse et munies de pales métalliques (10 pour l’une, 12 pour l’autre) à pas réglable. Chacun de ces deux ventilateurs est entraîné par une turbine Pelton de 44 MW. Pour alimenter ces turbines, 10 millions de mètres-cubes d’eau par an proviennent de plusieurs retenues d’eau gérées par E.D.F. Depuis le barrage qui surplombe Avrieux, une chute d’eau de 840 mètres alimente la soufflerie par l’intermédiaire d’une conduite forcée dont le débit atteint jusqu’à 15 m3/s. Dans cette soufflerie à circuit fermé, la vitesse peut atteindre 1 100 km/h (Mach 1) dans la veine d’essai de 8 mètres de diamètre, lui conférant le statut de plus grande soufflerie sonique – atteignant la vitesse du son – au monde.

Maquette d’avion dans la soufflerie S1 de Modane

Maquette d’avion dans la soufflerie S1 de Modane

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Dans la veine de la soufflerie S1 de Modane, est installée une maquette de l'Airbus A400M (avion de transport militaire européen mis en service en 2013). Celle-ci est munie de 1 000 prises de pression permettant d'étudier son comportement aérodynamique. La structure rouge tripode est un mât... 

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La soufflerie de givrage de Capoue (Italie)

De par les conditions climatiques d’altitude régnant à Modane, il était possible d’y étudier les phénomènes de givrage qui affectent les avions lorsqu’ils traversent les nuages. La soufflerie S1 de Modane n’est cependant plus utilisée pour ce type d’essai car elle ne pouvait pas garantir de façon permanente – même en hiver – des conditions de température propices à l’obtention de ce phénomène.

L'étude expérimentale du givrage requiert aujourd’hui l'utilisation de souffleries spécifiquement équipées permettant à toute époque de l’année la délivrance d'un écoulement d'air chargé en gouttelettes d'eau. Un moyen d'essai très important dédié à ce type d'étude est celui du Centre italien de recherche aérospatiale (C.I.R.A.) à Capoue, près de Naples. Cette gigantesque installation occupe une surface au sol d'environ 2 500 m2, et la veine d'essai est longue de 11,40 m. Elle est équipée d'un système de pulvérisation d'eau qui génère divers types de nuages, reproduisant notamment la réalité d’un vol pour un avion civil évoluant à une altitude de 10 kilomètres avec une température extérieure de — 50 0C. Dans ces conditions, la condensation des gouttelettes d'eau contenues dans les nuages peut former une couche de glace sur divers éléments de la surface des avions si des précautions ne sont pas prises pour empêcher ce phénomène. Or il est important de veiller à conserver la forme initiale de la voilure, optimisée pour garantir les qualités de vol de l'avion. C'est pourquoi, il est impératif d’étudier en soufflerie les dispositifs locaux qui protègent les endroits sensibles contre la formation du givre.

Des souffleries pour les véhicules spatiaux

La soufflerie S4 de Modane (France)

Les souffleries à très haute vitesse répondent aux besoins spécifiques des missiles stratégiques, des fusées et des véhicules spatiaux. Lors d’une rentrée atmosphérique, ce sont des vitesses de l’ordre de 20 000 km/h qui sont atteintes. La première catégorie des souffleries hypersoniques est constituée de souffleries qualifiées de « froides » (dites aussi souffleries à basse enthalpie), c’est-à-dire que l’air est chauffé préalablement, juste suffisamment pour éviter sa liquéfaction. Du fait de sa détente dans la tuyère, l’air – ou tout autre gaz d’étude – atteint des températures très basses de quelques dizaines de kelvins, soit autour de — 250 0C. La soufflerie S4 du centre O.N.E.R.A. de Modane fonctionne suivant ce principe. Elle est constituée, d’amont en aval, par :

– des réservoirs d’air comprimé à 27 MPa,

– un réchauffeur à effet Joules montant jusqu’à 1 600 0C,

– un jeu de tuyères Mach 6,4, Mach 10 et Mach 12,

– un caisson d’essai,

– un diffuseur (dont la forme est convergente puisqu’on est en écoulement supersonique) pour comprimer l’air,

– une sphère à vide pour aspirer l’air éjecté du diffuseur.

Cette soufflerie permet des rafales d’une durée de 45 secondes à Mach 12. Dans cette catégorie de souffleries « froides », la simulation des phénomènes réels du vol hypersonique n’est pas complètement assurée, puisque la vitesse atteinte est encore insuffisante – bien qu’atteignant 6 500 km/h avec une tuyère Mach 12 – et que l’air conserve toujours sa structure moléculaire, n’étant pas le siège des phénomènes réactifs observés dans la réalité où il y a dissociation des molécules d’oxygène et d’azote du fait de la forte augmentation de la température à proximité des aéronefs. Cette augmentation de la température est due au frottement de l’air sur le véhicule, qui engendre, à ces vitesses, d’intenses flux de chaleur. C’est la forme de la tuyère qui permet l’obtention du nombre de Mach voulu, mais c’est la température conférée à l’écoulement qui détermine la vitesse (V) en sortie de tuyère en raison de la définition même du nombre de Mach (M) déjà énoncée, soit : V = Ma, avec a la vitesse du son qui elle-même est proportionnelle à la racine carrée de la température. Cette dépendance du nombre de Mach à la température peut être commodément illustrée par l’exemple de Concorde qui, en régime de croisière, volait à Mach 2 à 18 km d’altitude, où règne une température de — 50 0C. La vitesse de l’avion à cette distance du sol atteignait ainsi 2 110 km/h. Si l’avion avait conservé cette même vitesse au ras des flots, avec une température extérieure de + 20 0C, ce supersonique n’aurait volé qu’à Mach 1,7.

De fait, avec une soufflerie « froide », on obtient assez facilement un grand nombre de Mach, puisque la vitesse du son est faible, environ 350 km/h au lieu de 1 200 km/h dans les conditions normales de température et de pression. La vitesse qui en résulte est malgré tout importante mais pas encore entièrement représentative de la réalité d’une rentrée atmosphérique.

La soufflerie F4 du Fauga-Mauzac (France)

Pour reproduire plus fidèlement la réalité des vols hypersoniques, on utilise alors des souffleries hypersoniques qualifiées de « chaudes » (dites aussi souffleries à haute enthalpie), où le gaz d’essai est chauffé intensément en amont de la tuyère de manière à fournir des écoulements chauds dans la veine d’essai. L’obtention de températures initiales (dites génératrices) avant détente dans la tuyère excédant 2 500 0C, accompagnées de pressions élevées, requiert des puissances considérables. La durée d’une rafale est par conséquent extrêmement courte, limitée également par la tenue mécanique à haute température des matériaux constituant la partie amont de la tuyère.

Dans les souffleries à arc, l’énergie est fournie par un arc électrique jaillissant entre une électrode et la paroi (mise à la masse) d’une enceinte de 15 litres préalablement remplie du fluide à échauffer (air, azote ou tout autre gaz d’essai) sous une pression choisie en fonction des conditions finales souhaitées. On obtient ainsi dans la chambre à arc des pressions de quelques dizaines de mégapascals et des températures de 3 000 à 8 000 0C. L’éclatement d’un diaphragme situé au col permet l’écoulement du gaz dans la tuyère, où sont réalisés des nombres de Mach allant jusqu’à 20, pendant des durées utiles de l’ordre de 100 millisecondes. L’énergie nécessaire pour la réalisation de l’arc électrique est obtenue au moyen d’un générateur constitué d’un volant d’inertie de 15 tonnes lancé à 600 tours/mn, ce qui représente un stockage d’énergie de 400 mégajoules (MJ). Comme ces installations requièrent une énergie importante, les veines d’essais sont de dimensions modestes, d’un diamètre de quelques dizaines de centimètres seulement (en fonction de la tuyère utilisée) dans le cas de la soufflerie F4.

Des souffleries pour les automobiles

L’idée de soumettre les véhicules à l’épreuve de la soufflerie n’est pas récente. Dès 1914, Peugeot passait un véhicule automobile dans la soufflerie Eiffel. Avec les exigences en matière de réduction des émissions polluantes, ces tests sont plus que jamais d’actualité. Cependant, ce n’est qu’au-delà de 90 km/h que la part de la puissance moteur utilisée pour vaincre les efforts d’origine aérodynamique devient prépondérante. Un gain de 10 p. 100 de résistance aérodynamique représente une diminution de la consommation de 0,3 à 0,4 litre aux 100 km sur autoroute à 130 km/h.

La soufflerie S2A à Montigny-le-Bretonneux (France)

En 2003, pour répondre aux besoins de l’automobile, une soufflerie très perfectionnée, d’une puissance de 3,8 MW, a été mise en service à Montigny-le-Bretonneux (Yvelines) par un groupement d’intérêt économique qui rassemble Peugeot, Renault et le Conservatoire national des arts et métiers (C.N.A.M.). Cette soufflerie aérodynamique et aéro-acoustique (S2A) atteint la vitesse de 240 km/h dans une veine d’essai de 24 m2 permettant d’étudier l’aérodynamique et l’acoustique des véhicules à l’échelle 1. Pour la simulation des effets de sol, cette soufflerie est munie d’un tapis central qui défile sous le véhicule à la vitesse du vent et d’un tapis sous chaque roue.

Soufflerie pour automobile

Soufflerie pour automobile

photographie

Dans la soufflerie S2A de Montigny-le-Bretonneux (Yvelines), chaque mois des tests systématiques sont réalisés sur cette maquette d'automobile (échelle 1) en matériau composite avec ou sans utilisation du tapis roulant. Cet étalonnage permet de s'assurer qu'il n'y a pas de dérive dans les... 

Crédits : GIE S2A

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Des souffleries pour les bâtiments et les ouvrages d’art

La soufflerie d’Eiffel toujours en service

Que ce soient des stades, des ponts ou des tours, tous ces ouvrages ont en commun leur gigantisme. Les effets du vent sur ces structures font ainsi l’objet d’études très poussées. La soufflerie de Gustave Eiffel poursuit son activité au sein du Centre scientifique et technique du bâtiment (C.S.T.B.) qui a racheté cette installation en 2001. S’ajoutent également à la tenue au vent des bâtiments, des études concernant la dispersion des effluents dans la nature, la climatisation active, nécessitant la mise en mouvement de l’air au moyen de ventilateurs, et la climatisation passive, qui fait l’objet de recherches poussées en raison de son faible coût de fonctionnement puisque cette technique est fondée sur l’utilisation de l’air présent, canalisé et mis en mouvement pour ventiler naturellement les locaux.

La soufflerie climatique Jules-Verne à Nantes (France)

Le C.S.T.B. dispose également d’un moyen d’essai d’exception : la soufflerie climatique Jules-Verne à Nantes. Celle-ci a été conçue pour étudier, à l'échelle réelle, les effets combinés du vent et des autres paramètres climatiques (pluie, sable, soleil, température, neige...) sur des éléments de construction mais aussi sur des véhicules ou tout autre système soumis à des conditions climatiques extrêmes. Cette installation est constituée de deux anneaux concentriques. Le circuit dit dynamique occupe l’anneau extérieur où, grâce à six ventilateurs déployant une puissance totale de 3 MW, une vitesse de 100 km/h est atteinte dans la veine « environnement » de 100 m2 de section verticale (surface de la tranche d’écoulement) et de 280 km/h dans la veine « haute vitesse » d’une section de 30 m2. La soufflerie permet de simuler une pluie battante (pluviométrie jusqu’à 200 mm/h) et une tempête de sable. Le circuit thermique occupe l’anneau intérieur et permet de simuler la température (de — 32 0C à + 50 0C), le brouillard, le verglas, la neige, l’ensoleillement et tous les types de pluie. La vitesse atteinte est de 140 km/h au moyen d’un ventilateur d’une puissance de 1,1 MW. Des échangeurs de chaleur d’une puissance frigorifique de 2 MW assurent le contrôle et la variation de la température à raison de 15 0C/heure.

Soufflerie climatique Jules-Verne

Soufflerie climatique Jules-Verne

photographie

Dans la soufflerie climatique Jules-Verne, installée à Nantes, il est possible de recréer diverses conditions climatiques (neige, pluie, brouillard, vent, etc.) afin d'étudier leur impact sur des bâtiments ou autres éléments de construction, sur des véhicules… Ici, simulation d'un vent de... 

Crédits : CSTB, Nantes

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Vers la soufflerie numérique ?

Dans les années 1980, l’avènement d’ordinateurs avec de grosses capacités de calcul et le développement conjoint des méthodes numériques laissaient augurer la disparition à moyen terme des souffleries. L’abandon de ces laboratoires aérodynamiques au sol que sont les souffleries n’est toutefois toujours pas à l’ordre du jour. Pourtant, grâce à l’évolution de l’informatique, l’aérodynamique numérique a atteint aujourd’hui un stade suffisamment avancé pour que l’ingénieur aérodynamicien la considère, avec confiance, comme un moyen d’appréhender la réalité physique au même titre que les mesures acquises au cours d’essais en vol ou en soufflerie.

Cependant la simulation numérique repose sur la résolution des équations de Navier-Stokes (équations aux dérivées partielles) pour lesquelles il n’existe pas de solution théorique. Bien que leur écriture générale inclut l’ensemble des phénomènes, les codes de calculs industriels résolvent des équations simplifiées par des méthodes URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes), qui permettent de prendre en compte les très lentes fluctuations temporelles (basses fréquences) de l’écoulement, mais pas les fluctuations temporelles rapides (hautes fréquences), qui concernent le régime turbulent de couche limite. Ce régime, le plus souvent rencontré dans la réalité, est modélisé dans ces codes au moyen d’une équation qui n’est pas universelle mais qui dépend de l’application concernée et de l’équipe modélisatrice. Même si un consensus se dessine quant à l’utilisation de ces différents modèles en fonction des applications, cette manière d’appréhender la réalité ne satisfait pas pleinement les chercheurs, qui ont alors développé des codes de simulation DNS (Direct Navier-Stokes) prenant en compte toute la richesse de la turbulence. Ces dernières méthodes considèrent les écoulements turbulents comme instables dans le temps avec tout le spectre de fréquences. Une telle approche, scientifiquement incontestable, nécessite des ressources mémoire et des temps de calcul encore hors de portée des ordinateurs actuels pour des configurations complètes d’avions nécessitant des centaines de millions de points de calcul.

Mais il est bien certain que tous les efforts réalisés dans le domaine numérique s’inscrivent dans la perspective de renoncer un jour à la soufflerie. Les nombreux projets de constructions de souffleries dans les pays émergents montrent cependant que le recours à l’expérience dans le domaine de l’aérodynamique est toujours d’actualité.

Parallèlement à la mise au point du modèle théorique, une autre avancée, presque aussi spectaculaire a eu lieu dans le domaine expérimental avec le développement, grâce aux sources laser, d’un ensemble de moyens optiques permettant d’explorer des écoulements complexes qui échappaient jusqu’alors à toute investigation. Grâce à cette percée des moyens métrologiques, les souffleries servent de nos jours à évaluer la validité des modèles théoriques proposés au niveau de la physique fine des écoulements. D’autre part, mettant à profit la fiabilité sans cesse améliorée des moyens numériques est né le concept de « soufflerie assistée par ordinateur ». Ce procédé vise à corriger les résultats d’essais grâce aux données des calculs numériques effectués conjointement aux essais dans l’environnement même de la soufflerie. Il s’agit de prendre en compte les caractéristiques de l’essai en vue de déterminer l’effet sur les mesures des parois de l’installation, des mâts support et plus généralement de tout ce qui peut influencer l’expérience. C’est ainsi un soutien mutuel que s’apportent calculs et expériences pour encore de nombreuses années.

—  Bruno CHANETZ

Bibliographie

M. Bazin et al., De l’aérostation à l’aérospatiale. Le centre de recherche de l’Onera à Meudon, O.N.E.R.A., 2007

B. Chanetz & A. Chpoun, « Supersonic and hypersonic wind tunnels », chap. 4.5, pp 651-682, in Handbook of Shock Waves, vol. 1, G. Ben-Dor, O. Igra, T. Elperin dir., Theoretical, Experimental and Numerical Techniques, Academic Press, 2001

B. Chanetz, M.-C. Coët & J. Tensi, « La Grande Soufflerie de Modane », in Pégase, la revue du musée de l’Air, no 137, juin 2010

G. Eiffel, Nouvelles Recherches sur la résistance de l’air et l’aviation faites au laboratoire d’Auteuil, H. Dunot et E. Pinat, éditeurs, 1914

M. Peter & J.-P. Cuisinier, Eiffel, la bataille du vent, C.S.T.B. 2007

P. Rebuffet, Aérodynamique expérimentale, t. 1, Dunod, 1969.

Écrit par :

  • : professeur associé à l'université de Paris-Ouest-Nanterre-La Défense

Autres références

«  SOUFFLERIES  » est également traité dans :

AÉRODYNAMIQUE

  • Écrit par 
  • Bruno CHANETZ, 
  • Jean DÉLERY, 
  • Jean-Pierre VEUILLOT
  •  • 7 222 mots
  •  • 7 médias

Dans le chapitre «  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 rou […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/aerodynamique/#i_28482

PATRIMOINE INDUSTRIEL (France)

  • Écrit par 
  • Bruno CHANETZ, 
  • Laurent CHANETZ
  •  • 6 538 mots
  •  • 4 médias

Dans le chapitre « Des sites industriels singuliers »  : […] L'architecture industrielle ne se limite pas aux seuls vestiges du passé proto-industriel, ni aux monuments étatiques ou aux bâtiments privés servant la gloire de leurs commanditaires. La notion de patrimoine industriel déborde du cadre architectural classique. Elle inclut des édifices qui privilégient le côté fonctionnel et dont la conception est guidée par des nécessités de production. La fin du […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/patrimoine-industriel-france/#i_28482

Voir aussi

Pour citer l’article

Bruno CHANETZ, « SOUFFLERIES », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 12 octobre 2019. URL : http://www.universalis.fr/encyclopedie/souffleries/