SOUFFLERIES

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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

Dessin : Souffleries : schémas de principe

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

Photographie : Gustave Eiffel

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... 

Crédits : Laboratoire aérodynamique Eiffel

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La soufflerie dite de type Eiffel date de 1912. Bénéficiant de l’invention du diffuseur ( [...]

Soufflerie Eiffel

Photographie : Soufflerie Eiffel

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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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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Écrit par :

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

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Pour citer l’article

Bruno CHANETZ, « SOUFFLERIES », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 02 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/souffleries/