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Aérodynamique et contrôle actif
Rappels d’aérodynamique et des techniques d’analyse des écoulements
L’aérodynamique a pour but d’étudier les phénomènes qui se produisent lorsqu’un solide est en mouvement relatif dans l’air qui l’entoure. Nous rappelons dans ce premier souschapitre, quelques notions élémentaires relatives aux écoulements aérodynamiques externes et aux techniques classiques d’analyse expérimentale de ces écoulements.
Forces exercées sur un obstacle
L’expérience montre qu’un corps solide en mouvement dans un fluide de vitesse U∞ subit de la part du fluide, des forces de résistance. Ce système de forces qui s’appliquent sur l’obstacle peut se réduire à une force F et un coupleC . On décompose généralement F en une composante parallèle à U ∞ , la traînée d’intensité T, et une composante perpendiculaire à U ∞ , la portance d’intensité P. Le moment résultant M du système de forces est pris par rapport à un point ou un axe. Ces forces sont quantifiées par leurs coefficients respectifs : coefficient de traînée, Cx, de portance Cz, et de moment, Cm. Ces coefficients adimensionnels dépendent de la densité ρ∞ du fluide, de la vitesse U ∞ , et de la taille, du profil, et de l’orientation du corps.
Pratiquement, sur un obstacle dans un fluide, le gradient longitudinal de pression dP/dx (x étant l’abscisse curviligne sur l’obstacle) peut être favorable (de même sens que les forces d’inertie s’opposant aux forces de viscosité) ou défavorable (s’opposant aux forces d’inertie et de même sens que les forces de viscosité). Généralement sur un profil d’aile, le gradient est favorable près du bord d’attaque (la courbure du profil accélère le fluide) et défavorable près du bord de fuite. Dans cette zone, si l’intensité du gradient défavorable de pression est suffisante, il peut y avoir une inversion de la direction de l’écoulement, caractéristique d’une zone de recirculation à l’aval d’un point de décollement de la couche limite. Ce point de séparation se situe au point d’annulation de la contrainte pariétale, soit en du/dyy=0 = 0.
Effets pratiques de la turbulence
La turbulence a des effets qui, selon les applications, peuvent se montrer soit favorables, soit défavorable [3] :
• La turbulence réduit les inhomogénéités cinématiques, thermiques, massiques au sein de l’écoulement, tout en augmentant les transferts pariétaux ;
• La turbulence augmente la traînée de frottement visqueux, mais peut diminuer sensiblement la traînée de forme, en retardant d’éventuels décollements.
Les dispositifs hypersustentateurs
Dans les phases délicats du vol, le décollage et l’atterrissage par exemple, et dans le but de conserver une portance suffisante pour l’avion à vitesse réduite et donc de s’éloigner du cas de décrochage, il est nécessaire d’augmenter considérablement l’angle d’incidence α mais en restant en deçà de la valeur critique αc. Pour atteindre cet objectif, il est classique de modifier les propriétés du profil par des dispositifs dits « hypersustentateurs ». Ces dispositifs mécaniques prennent des formes très variées (bec, volet simple, double volet) pour augmenter la surface et/ou la courbure de l’aile, et ainsi retarder le décrochage ou augmenter le coefficient de portance Cz (Cz est à peu près doublé avec l’utilisation d’hypersustentateurs sur les ailes actuelles). Ils sont placés sur le bord d’attaque ou sur le bord de fuite de l’aile d’avion.
Techniques de visualisation des écoulements
D’un point de vue expérimental, différentes techniques, dont le principe est brièvement rappelé ci-après, permettent une analyse globale du champ d’écoulement.
La vélocimétrie par image de particules (Particle Image Velocimetry)
La PIV est une technique de double-laser pulsé employée pour mesurer la distribution instantanée de vitesse dans un plan d’écoulement en déterminant photographiquement le déplacement des particules dans ce plan pendant un très court intervalle de temps (quelques dizaines de micro secondes). Elle fournit donc simultanément les valeurs de la vitesse dans toute une section transversale.
Cette technique se compose de deux étapes principales : la visualisation et le traitement d’images. Dans une première étape l’écoulement est ensemencé avec des particules submicroniques (traceurs) appropriées afin de tracer le mouvement du fluide. Ensuite, une impulsion de nappe laser illumine une tranche mince du champ d’écoulement dans le plan désiré, et les positions des particules dans ce plan sont déterminées en enregistrant la lumière réfléchie par les particules à l’aide d’une caméra CCD (Charged-Coupled Device) placée perpendiculairement à la nappe laser. Après un très court intervalle de temps Δt (typiquement de l’ordre de quelque µs) les particules sont de nouveau illuminées par une deuxième impulsion de nappe laser et leurs nouvelles positions sont enregistrées .
Des techniques de corrélation permettre de déterminer les positions successives de la même particule et donc les déplacements Δx. Les vitesses des particules dans le plan de la nappe laser sont déduites des déplacements Δx et de l’intervalle de temps Δt . Les particules (traceurs) utilisées doivent pouvoir suivre les lignes de courant dans l’écoulement pour que leurs mouvements soient représentatifs de l’écoulement. Ceci exige que de la densité des particules soit très proche de celle de fluide ou qu’elles soient suffisamment petites (typiquement de l’ordre de 1 µm) pour que leur mouvement gravitaire relativement au fluide soit négligeable [6]. A partir des champs de vitesses, il est aussi possible d’obtenir d’autres informations comme par exemple le champ de vorticité, les lignes de courant, ou encore des informations sur le niveau de turbulence si le nombre d’images enregistrées est suffisant.
Les techniques optiques (strioscopie, ombroscopie, interférométrie)
Ces techniques optiques sont basées sur les modifications d’indice de réfraction liées aux variations de masse volumique dans un écoulement compressible. Elles sont utilisées dans les écoulements à grande vitesse (du transonique à l’hypersonique). Ces techniques permettent en particulier de mettre en évidence des ondes de choc, couches limites, zones de mélange, sillages… .
Visualisation en tunnel hydrodynamique
Cette technique est utilisée pour des essais en similitude dans de l’eau à faible vitesse (quelques cm/s). Elle permet notamment de mettre en évidence les lignes de courant, des décollements ou les tourbillons. Trois méthodes sont disponibles pour cette technique de visualisation :
• l’émission de traceurs colorés (sur la maquette ou en amont),
• l’éclairage par un plan lumineux de bulles d’air ou de fluorescéine, ou
• l’émission locale de bulles d’hydrogène produites par électrolyse.
Visualisation pariétale (par enduit visqueux)
Cette technique permet notamment de visualiser les lignes de courant, les points singuliers (cols, nœuds, foyers) et les lignes de décollement et d’attachement. La méthode est basée sur l’utilisation d’enduits visqueux placés en film sur la surface étudiée. L’enduit peut être constitué de pigments colorés ou d’oxyde de titane mélangés à une huile de silicone ou de machine (paraffine). Les lignes de frottement apparaissent sous l’effet d’entraînement de l’écoulement par frottement.
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 : Aérodynamique et contrôle actif
1.1 Rappels d’aérodynamique et des techniques d’analyse des écoulements
1.1.1 Forces exercées sur un obstacle
1.1.2 Effets pratiques de la turbulence
1.1.3 Les dispositifs hypersustentateurs
1.1.4 Rappel des définitions de quelques nombres adimensionnels
1.1.4.1 Nombre de Reynolds
1.1.4.2 Nombre de Mach
1.1.4.3 Nombre de Knudsen
1.1.4.4 Nombre de Strouhal
1.1.4.5 L’unité pariétale (unité de paroi)
1.1.5 Techniques de visualisation des écoulements
1.1.5.1 La vélocimétrie par image de particules (Particle Image Velocimetry)
1.1.5.2 Les techniques optiques (strioscopie, ombroscopie, interférométrie)
1.1.5.3 Visualisation en tunnel hydrodynamique
1.1.5.4 Visualisation pariétale (par enduit visqueux)
1.2 Le contrôle de la couche limite
1.2.1 Pourquoi contrôler un écoulement ?
1.2.2 Comment contrôler un écoulement ?
1.2.2.1 Le contrôle passif
1.2.2.2 Contrôle actif
1.2.2.3 Conclusions
Références Bibliographiques
Chapitre 2 : Jet synthétique – Etat de l’art
2.1 Principe de fonctionnement
2.2 Caractéristiques intrinsèques des jets synthétiques
2.3 Utilisation pour le contrôle
2.4 Critères de formation d’un jet synthétique
Références Bibliographiques
Chapitre 3 : Caractérisation d’un JS dans un environnement au repos
3.1 Simulation numérique
3.1.1 Code de calcul
3.1.2 Géométrie
3.1.3 Paramètres des simulations
3.1.3.1 Maillage utilisé
3.1.3.2 Conditions aux limites
3.1.3.3 Méthode numérique
3.1.4 Analyse des résultats numériques
3.1.4.1 Convergence
3.1.4.2 Analyse des champs
3.1.4.3 Profils de vitesse
3.1.4.4 Variations de la vitesse sur l’axe
3.2 L’expérience
3.2.1 Configuration étudiée
3.2.2 Techniques de mesure
3.2.2.1 Anémomètre à fil-chaud
3.2.2.2 PIV
3.2.3 Analyse des résultats expérimentaux
3.2.3.1 Mesures par fil-chaud
3.2.3.2 Comparaison avec les simulations numériques
3.2.3.3 Mesures par PIV
3.3 Comparaison expérimentale avec un jet continu et un jet pulsé
3.3.1 Mesures par fil-chaud
3.3.2 Mesures par PIV
3.4 Conclusions
Références Bibliographiques
Chapitre 4 : Etude de l’interaction entre un JS et un écoulement transversal
4.1 Introduction
4.2 L’expérience
4.2.1 Configuration étudiée
4.2.2 Techniques de mesure
4.2.3 Caractérisation du jet de paroi (ET) seul
4.2.4 Analyse des résultats expérimentaux
4.2.4.1 Mesures par anémométrie à fil-chaud
4.2.4.2 Mesures par PIV
4.3 Comparaison expérimentale avec un jet continu et un jet pulsé
4.3.1 Ecoulement transversal avec un jet continu
4.3.2 Etudes comparative des différents types de jet
4.4 Conclusions
Références Bibliographiques
Conclusion
