Le contrôle des écoulements est un domaine de la mécanique des fluides qui étudie les possibilités d'action sur les écoulements dans le but de les améliorer relativement à divers objectifs, qu'il s'agisse d'écoulements libres ou d'écoulements au voisinage d'une paroi. Les gains portent généralement sur l'augmentation des performances, avec une réduction du bruit éventuellement, et la réduction de la consommation qui en découlent.
Le contrôle peut porter sur l'ensemble de l'écoulement ou opérer en un point donné avec un effet dans le voisinage et sur l'évolution de l'écoulement. Les contrôles peuvent être constants, se produisant sans intervention et en toutes circonstances ou adaptatif, en fonction de paramètres observés au moyen de diverses techniques.
Historique
Exemples naturels vignette|Gros plan de la peau d'un requin. Un exemple de contrôle d'écoulement dans la nature est la peau de requin. En effet, cette peau possède des micro-rainures permettant de modifier l'écoulement de l'eau autour du requin. En diminuant la vitesse contre la peau du requin, cela diminue les frottements de l'eau, permettant à cet animal de se déplacer à des vitesses de l'ordre de la centaine de km/h.. Cet effet est connu sous le nom d'"effet riblet". vignette|Winglets d'un Pygargue à tête blanche. Un autre exemple est celui qui a inspiré les winglets sur les aéronefs. Certains volatiles comme les rapaces ou les cigognes ont la capacité de modifier la géométrie de leurs ailes, particulièrement en bout d'aile. Cela permet de diminuer le cisaillement à cet endroit, et ainsi diminuer les turbulences et les vortex de leurs sillages, néfastes à leurs performances.
Premiers procédés vignette|Gros plan d'une balle de golf. Le plus ancien cas de contrôle d'écoulement est le perfectionnement de la balle de golf, inventée dans les années 1880, bien avant que Prandlt n'introduise la notion de couche limite. Il avait été observé que les aspérités permettait à la balle de parcourir une plus grande distance. La physique de l'interaction balle-fluide n'a été formulée que plusieurs années plus tard : les aspérités forcent la transition laminaire/turbulent, réduisant la traînée de pressionPierre-Yves Pamart. Contrôle des d´ecollements en boucle fermée. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2011. Français. (voir la crise de traînée de la sphère). La transition à la turbulence a pour effet de renforcer la couche limite et de retarder son décollement, diminuant ainsi la taille de la bulle de recirculation et la zone de dépression en aval. La zone de dépression étant plus petite qu'en écoulement laminaire, la force d'aspiration, à l'origine de la traînée de pression, est moins importante.
La notion de la couche limite est apportée en 1904 par PrandltPrandtl, L. (1904). Über Flüssigkeitsbewegung bei sehr kleiner Reibung. Int. Math. Kongr Heidelberg. Leipzig.. Cela lui permet d'expliquer le phénomène de décollement (aussi appelé décrochage) et de proposer, avec Tietjens, l'utilisation de l'aspiration continue pour modifier l'écoulement autour d'un cylindre et recoller le décollement dans un diffuseurL. Prandtl et O. Tietjens. Hydro-und Aeromechanik. Julius Springer, 1931.. Ils constatent ainsi qu'une perturbation localisée peut agir sur l'ensemble de l'écoulement.
Les applications du contrôle des écoulements commencent dès le début du : d'abord en 1903, avec les Frères Wrigth qui développent un avion couplant un gauchissement des ailes (précurseur des ailerons) et une gouverne de direction pour améliorer l'aérodynamique., puis dans les années 1910, avec l'apparition des ailerons qui permettent de contrôler le vol des avions.
En 1947, Mc Faden et al. utilisent des générateurs de vortex sur un XB-47 afin de corriger le cabrage dû au décollement sur l'extrados des ailesN. McFadden, G. Rathert et R. Bray. « The effectiveness of wing vortex generators in improving the maneuvering characteristics of a swept wing airplane at transonic speeds ». Dans : NACA Technical Note 3523 (1955), p. 48.. En 1955, il utilise ces mêmes dispositifs pour contrôler le décollement sur les ailes d'un F86.
En 1974, l'aérodynamicien américain Richard Whitcomb met au point les premières winglets de l'histoire de l'aviation grâce à ses recherches dans le centre de recherche de la NASA à Langley (États-Unis) publiées en 1976. Cette nouvelle technologie permet alors de réduire la trainée induite par la portance sans pour autant augmenter l'envergure de la voilure.
En parallèle commencent alors à se développer des systèmes d'écoulements actifs, comme le Northrop X-21, avion expérimental développé dans les années 1960 pour le compte de la NASA, dont les ailes sont équipées d'un dispositif permettant d'aspirer une partie de la couche limite et de rendre ainsi laminaire l'écoulement de l'air.
Dans les années 1980, la question de la stabilité des écoulements suscite de nombreux travaux, et Ho et Huerre publient en 1984 la démonstration du contrôle possible des structures cohérentes dans une couche de mélange.. À partir de 1990, les capacités de calculs numériques permettent la simulation d'écoulements complexes, et la dynamique de recherche s'oriente vers les procédés de contrôle actif.
Généralités vignette|376x376px|Classification des stratégies de contrôle des écoulements. Avantages Les performances des véhicules terrestres ou aériens sont effectivement modifiées par l'écoulement de l'air autour d'eux. La traînée, induite par la résistance de l'air au passage du véhicule, est responsable du coût énergétique et polluant des véhicules, et d'autres phénomènes, comme le décrochage pour les avions, peuvent être même dangereux et provoquer des accidents mortels... En pratique, ces changements favorables se traduisent donc par l'augmentation des performances des appareils (augmentation de la portance pour les aérodynes), la réduction de la consommation (par la réduction de la traînée par exemple) ou encore la réduction du bruit.
Formellement, le contrôle des écoulements peut être vu selon trois définitions complémentaires : il s'agit de modifier l'état naturel d'un écoulement vers un état désiré. c'est également une perturbation à petite échelle, dans l'objectif de modifier le comportement de l’écoulement à grande échelle. et enfin, il peut également être vu comme la production et le maintien d'états particuliers d'un écoulement, en vue d'obtenir un niveau de performance pour un système donné.
Ce domaine consiste ainsi en la manipulation des écoulements libres (par exemple des jets ou des sillages) ou à proximité d'une paroi (par exemple une couche limite), en utilisant des dispositifs passifs ou actifs, dans le but d'obtenir des changements favorables au sein de l'écoulement.
Types de contrôles Les stratégies de contrôle sont classés suivant la technique employée. L'ensemble de la communauté scientifique du contrôle des écoulements s'accorde sur la classification exprimée dans le schéma "Classification des stratégies de contrôle des écoulements", inspiré de Gad-El-Hak.
Une première distinction dans les stratégies de contrôle se fait entre les systèmes dits « passifs », qui ne requièrent pas d'apport d'énergie extérieure, et les systèmes "actifs" nécessitant une alimentation (fluidique ou électrique). Ensuite, au sein même des stratégies de contrôle actif, une distinction est faite selon que le forçage varie ou non dans le temps. Si le forçage est invariant dans le temps, le système ne requiert pas de capteurs pour connaître l'état de l'écoulement : le contrôle est alors qualifié de prédéterminé ou « en boucle ouverte ». À l'inverse, un algorithme mathématique peut gérer la commande du forçage, et ainsi des capteurs sont nécessaires pour connaître l'état de l'écoulement : il s'agit alors du contrôle "réactif" ou « en boucle fermée ». Par la suite, la boucle de contrôle peut être qualifiée de "feedforward" si elle utilise une mesure du l'état sans contrôle pour adapter la commande ou de "feedback", si elle mesure directement les effets du contrôle sur l'écoulement pour l'adapter.
Contrôles passifs Les contrôles passifs se font au moyen de dispositifs qui ne nécessitent pas d'apport énergétique. Ils peuvent agir à différentes échelles sur les écoulements.
vignette|Volets sortis pour l’atterrissage. À grande échelle, il est possible de défléchir l’écoulement grâce à des dispositifs mécaniques macroscopiques, comme les dispositifs hypersustentateurs pour les avions. Ces dispositifs, dont l'origine découlent des travaux de Page (Royaume-Uni) et Lachman (Allemagne), dans les années 1920-1930, augmentent la surface de l'aile, changent sa courbure et parfois aussi l'angle d'attaque, dans le but d'augmenter la portance, dans les phases de vol à basses vitesse .. D'autres dispositifs, comme les winglets situés en bout d'aile, agissent sur les tourbillons marginaux afin de réduire la traînée.
À petite échelle, on trouve les dispositifs qui vont agir sur la couche limite pour modifier la répartition de l’énergie dans l'écoulement, toujours dans l'objectif de modifier l'écoulement de manière bénéfique. On peut alors agir sur le décollement grâce, par exemple, aux vortex generators qui génèrent des tourbillons favorisant le mélange turbulent entre l'écoulement principal et la couche limite. Ce phénomène a pour but d'apporter de l'énergie à la circulation de l'air et ainsi éviter le décrochage... vignette|Vortex Generators.
Enfin à l'échelle microscopique, il est possible de réduire localement le frottement pariétal généré par une couche limite turbulente en modifiant localement la surface, grâce par exemple aux riblets ou parois rainurées. Les riblets sont des surfaces rainurées ou striées dans le sens de l'écoulement. Les rainures modifient la structure de la turbulence en proche paroi et réduisent le frottement local.
Contrôles actifs Contrairement au contrôle passif où les systèmes visaient simplement à modifier la dynamique d'un écoulement, dans le contrôle actif d'écoulement il y a un apport d’énergie au système. La méthode consiste à injecter très localement de l’énergie à l'écoulement afin d'avoir l'effet escompté sur la dynamique du système global. La mise en place du contrôle actif nécessite l'utilisation d'actionneurs, mobilisables via une consigne. On distingue le contrôle en "boucle ouverte" quand les actionneurs fonctionnent seuls, et contrôle en "boucle fermée" quand des capteurs sont nécessaires pour connaître l'état de l'écoulement.
On peut prendre l'exemple du système ALA (Aerodinamica Lamborghini Attiva) qui est un système de contrôle d'écoulement actif en boucle ouverte sur le spoiler arrière de la Lamborghini Huracán, permettant de modifier la répartition des forces (portance - trainée) selon les besoins (accélérations, virages, freinages), et pouvant même avoir des actions asymétriques lors de la mise en virage (aero-vectoring).. Ce système a permis à la Lamborghini Huracán de battre le record de vitesse sur le circuit de référence de Nürburgring avec un chrono de 6 min 52 s 0, soit 5 s de mieux que sa rivale allemande la Porsche 918 Spyder .
Boucles ouvertes vignette|295x295px|Schéma bloc de la boucle ouverte dans le cadre du contrôle des écoulements - d'après Gad-El-Hak (Journal of Aircraft, vol 38, 2001) Le contrôle d'écoulement en boucle ouverte utilise les actionneurs seuls pour modifier l'écoulement. Ces actionneurs fonctionnent alors avec une consigne constante. Dans le contrôle actif, on peut distinguer deux stratégies principales: le soufflage et l'aspiration. Le soufflage consiste à souffler de l'air en amont de la zone de décollement afin de donner assez d’énergie au flux pour rester collé. L'aspiration consiste plutôt à aspirer au travers de la paroi le flux à l'endroit où celui-ci est décollé. Ces techniques nécessitent une bonne connaissance de l'écoulement, car la localisation des systèmes de contrôle est primordiale à son bon fonctionnement.