Soufflerie

thumb|Soufflerie à veine fermée circulaire.

Une soufflerie est une installation d'essais utilisée en aérodynamique pour étudier les effets d'un écoulement d'air sur un corps, généralement un modèle de dimension réduite par rapport au réel. On peut effectuer dans une soufflerie des mesures, par exemple d'efforts, et des visualisations d'écoulement le plus souvent impossibles à faire dans les conditions réelles de déplacement. Il existe plusieurs centaines de souffleries dans le monde, dont le plus grand nombre sont aux États-Unis.

Une soufflerie désigne aussi un simulateur de chute libre. Dans ce cas l'écoulement d'air est dirigé vers le haut.

Historique

Les premières expériences visant à observer les effets de l'écoulement de l'air sur des corps ont été faites soit par chute libre (par Isaac Newton et Desaguliers)Newton avait obtenu, en observant la chute de sphères dans l’eau et celle de vessies de porc dans l’air (expériences réalisées également par M. Desaguliers), un Cx d’un peu moins de 0,5 au Reynolds de . Pour les derniers essais de chute d'Eiffel avant qu'il se tourne vers les souffleries, voir cette image ou celle-ci soit avec des manèges, notamment par Benjamin Robins avant 1742 (image de droite) ou George Cayley vers 1800, le corps étant supporté par un bras tournant. Cette deuxième méthode ayant l'inconvénient d'introduire des effets centrifuges et de faire évoluer le corps dans son propre sillage aérodynamique (animation de gauche), l'idée est venue de créer un mouvement d'air sur un corps immobile. La première soufflerie a été inventée et réalisée en Angleterre par Francis Herbert Wenham et John Browning en 1871Early Developments of Modern Aerodynamics, Ackroyd, Axcell, Ruban, . Puis vint la soufflerie d'Horatio Phillips en 1884 (voir cette image).Constantin Tsiolkovski construisit et expérimenta la première soufflerie russe en 1897 (image ci-contre). thumb|La soufflerie des frères Wright. Les Frères Wright, cherchant à analyser et améliorer les performances de leurs planeurs, ont également fabriqué une petite soufflerie en 1901, laquelle leur a permis de déterminer la vrai valeur du fameux (à l'époque) coefficient de Smeaton quantifiant l'action du vent sur les plaques, donc sur les ailes. Après celle de Charles Renard à l’Établissement Militaire de Chalais-Meudon dont il était le directeur (voir cette image)Cette soufflerie était cylindrique, de 80 cm de diamètre et de 4 m de long. Un vent de 14 m/s y était produit par une hélice. PIONEER WIND TUNNELS, by N. H. RANDERS-PEHRSON Grâce à ses expériences sur des modèles au 1/ par la méthode du « tunnel », le Colonel Renard a mis en équation la stabilité de route passive des ballons dirigeables et a montré que cette stabilisation était possible avec un empennage (sur le modèle de la flèche d'arc) ainsi qu'indépendante de l'effet d'échelle. (L'aérophile, Juillet 1904, ) (pour cette question de la stabilisation passive des corps élancés, voir l'article Corps de moindre traînée)., la première soufflerie française fut celle de Gustave Eiffel dans son laboratoire aérodynamique édifié sur le Champ-de-Mars (Paris) en 1909. Eiffel dû quitter le Champ de Mars en 1911 aussi créa-t-il une nouvelle soufflerie plus grande dans le Quartier d'Auteuil (cette soufflerie est toujours active). (image ci-contre). La première soufflerie à circuit fermé est celle de Ludwig Prandtl au Centre de Recherche Aérodynamique de Göttingen en 1909. Avec le développement de l'aéronautique militaire à partir de 1910, et suivant la première guerre mondiale, les grandes nations ont construit des souffleries de plus en plus grandes; celle de Chalais-Meudon était la plus grande en 1929 :

1923 : de Langley Field du NACA. 1931 : soufflerie pour modèle à l'échelle 1 (dite full scale) à Langley Field du NACA. 1936 : première soufflerie supersonique à Peenemünde (entrée en service en 1939). 1936 : soufflerie de Banlève inaugurée en 1937 pour tester les avions de l'armée de l'air française. 1944 : soufflerie de 12 × 24 m à Moffet Field au centre Ames du NACA.

Configuration générale

Une soufflerie se compose d'un circuit aérodynamique comportant une veine d'essais. Le circuit d'air peut être ouvert ou fermé : souffleries de « type Eiffel », à circuit ouvert : soufflerie de Gustave Eiffel construite en 1912 rue Boileau à Auteuil, qui est toujours en exploitationLa soufflerie Eiffel du Laboratoire Arodynamique Eiffel .) , soufflerie de Banlève à l'institut de mécanique des fluides de Toulouse ; souffleries à retour, en circuit fermé : S1MA de l'ONERA à Modane-Avrieux en Savoie.

La veine d'essais peut être ouverte, ou « libre » comme dans les souffleries Eiffel, guidée (par exemple par un plancher pour tester des automobiles), ou fermée. Dans la plupart des souffleries à retour, la veine d'essais est fermée, ce qui permet de contrôler (et de modifier) la température et la pression de l'air.

Le flux d'air est généralement aspiré et non soufflé sur le modèle, le ventilateur (ou compresseur) étant disposé en aval de la veine d'essais.

Éléments du circuit

Arrivée d'air ou collecteur, prenant l'air soit à l'extérieur, soit dans un bâtiment, ou bien l'air revenant de la veine d'essais (circuit à retour). Chambre de tranquilisation de grandes dimensions, comprenant un filtre à alvéoles de type nid d'abeille pour redresser les filets d'air et des grillages très fins pour réduire la turbulence. Tuyère convergente servant à accélérer l'air vers la veine d'essais. Le taux de contraction peut dépasser 10. Veine d'essais avec les équipements de mesure. La section de la veine est le plus souvent rectangulaire ou polygonale (rectangulaire avec des panneaux à 45° dans les angles), quelquefois circulaire ou elliptique. Diffuseur ou divergent. L'air y est progressivement ralenti en élargissant la section avec une conicité faible (environ 2° pour chaque paroi). Ventilateur ou compresseur. La section de la veine est circulaire au niveau des pales. Les plus grandes souffleries de type ouvert (Chalais-Meudon et Moffet Field) présentent plusieurs rangées de ventilateurs disposés dans un veine rectangulaire ou elliptique. Sortie d'air (soit à l'extérieur, soit dans un local), ou bien continuité du circuit (circuit à retour). Dans ce cas, le circuit présente généralement quatre coudes à 90° équipés de déflecteurs (). Les souffleries dites ouvertes placées dans un bâtiment fermé peuvent être vues comme des souffleries à retour, le retour se faisant à l'intérieur du bâtiment.

Support du modèle Avions : pied central (trois axes), pieds latéraux (tangage), dard arrière (tangage, roulis). Véhicules : sol fixe avec aspiration de la couche limite ou sol défilant à la vitesse du véhicule. Bâtiments/ouvrages d'art : balance six axes. Plateau tournant pour modifier l'azimut (l'angle de lacet).

Exemples d'équipements de mesure Balance six composantes. Anémomètres (laser Doppler anémométrie, anémométrie par fil chaud…). Tubes de Pitot. Traitement acoustique de la veine d'essais pour effectuer des mesures de bruit. Caméra, laser et système d'ensemencement de particules pour effectuer des mesures (PIV). Strioscopie.

Conditions de similitude Dans le cas d'un mobile (avion, véhicule), on considère que l'effet de l'air en mouvement sur le modèle à l'arrêt est le même que sur le modèle en mouvement dans une masse d'air fixe. Pour avoir des résultats d'essais valables à échelle réduite, il faut suivre la loi de similitude qui demande de conserver le nombre de Reynolds traduisant le rapport entre les forces d'inertie et de viscosité de l'air. Nombre de Reynolds : V : vitesse de l'air, L : longueur du corps (la corde du profil pour une aile) : masse volumique de l'air, : viscosité dynamique.

Compte tenu des dimensions des avions les plus grands (gros porteurs), on doit obtenir en soufflerie des nombres de Reynolds très élevés ; pour cela, on peut jouer sur V, L et . Pour L et V, on doit augmenter la taille du modèle et la vitesse de l'air : cela conduit à des souffleries plus grandes et des motorisations plus puissantes. On peut aussi augmenter rho (la masse volumique de l'air) en augmentant la pression d'air dans la soufflerie (soufflerie pressurisée) ou en diminuant la température de l'air (soufflerie cryogénique), ou les deux.

L'air étant compressible, il faut aussi respecter le nombre de Mach dans le cas des grandes vitesses. La plupart des avions de ligne (à réaction) volent à plus de .

Types de souffleries aérodynamiques En fonction des besoins de vitesse et de Reynolds, les caractéristiques physiques de l'écoulement peuvent être modifiées : soufflerie classique, atmosphérique ; soufflerie à fumées permettant de visualiser les lignes de courant d'un écoulement ; soufflerie pressurisée (quatre à dix bars ou plus) ; le nombre de Reynolds augmente avec la masse volumique de l'air ; soufflerie cryogénique ; soufflerie dite à rafale, caractérisée par un temps de fonctionnement limité (de l'ordre de la minute) ; soufflerie à arc, caractérisée par un temps de fonctionnement très court (quelques secondes) permettant de simuler des conditions extrêmes telles que l'échauffement causé par une rentrée dans l'atmosphère.

Souffleries existantes

Souffleries éoliennes Rien ne s'oppose à ce que des enseignements soient tirés de la mise en place de modèles dans un courant d'air dû au vent météo. L'image ci-contre montre l'utilisation du vent pour la détermination du Centre Latéral de Portance d'une grande fusée à eau. Beaucoup de phénomènes peuvent être révélés par des essais éoliens (voir par exemple cette vidéo montrant qu'une calotte sphérique placée face au vent ne se retourne pas pour adopter l'attitude d'un parachuteCette expérience montre que le Centre Latéral de Portance d'une calotte sphérique se trouve en son centre géométrique.. Un soufflerie éolienne n'est pas à proprement parler une soufflerie, mais des installations fixes (portiques, etc.) faciliteront son usage. Clément Ader avait ainsi testé le fonctionnement de son premier projet d'avion en plumeVoir les recherches historiques d'Alain Vassel . Plus tard, Pierre Lissarrague Voir les recherches d'Alain Vassel Voir également à ce sujet Pégase, N°45-46, mai 1987. a testé ainsi dans le vent une demi voilure grandeur nature de l'Avion III.

Souffleries d'étude

Modèles simples à visée éducative, généralement à circuit ouvert. Dimension de la veine de l'ordre de . Les moins puissantes ont une puissance de quelques kilowatts, ce qui permet de mettre en mouvement une veine fluide de quelques décimètres carrés de section dans un environnement très peu sonoreLe silence de fonctionnement a bien sûr des avantages pédagogiques puisqu'il permet les échanges verbaux..

Ci-contre à droite, la vidéo montre le comportement très contre intuitif du cône de rétreintUn cône de rétreint, en langage fuséiste, est un tronc de cône dont la pointe théorique est située vers l'aval de l'écoulement. Cette vidéo montre bien que ce cône de rétreint, lorsqu'il est articulé autour de sa pointe, tend à revenir à la position neutre lorsqu'il en est éloigné par une turbulence ou une action de l'opérateur, mais que ses retours au neutre sont de plus en plus forts. On constate donc que le cône de rétreint est stable statiquement mais instable dynamiquement.

À gauche, la vidéo montre le gonflement très contre intuitif du cône de film plastique contre le vent. Cette expérience prouve que la pression au point d'arrêt est la plus forte pression qui peut exister sur un corps placé dans le vent.

Souffleries à fumées