SOUFFLERIES

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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

Tableau : Souffleries subsoniques et transsoniques

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

Tableau : Souffleries supersoniques et hypersoniques

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.

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... 

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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.

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Souffleries : schémas de principe

Souffleries : schémas de principe
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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)
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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 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/souffleries/