1-La théorie
A- Informations générales
Différents secteurs
Depuis un siècle, l'aérodynamisme est un secteur ayant incroyablement évolué, tout comme les avancées scientifiques. Cette science s'applique à plusieurs domaines tels que l'aéronautique militaire et de transport, la marine (sous-marins et navires) ou même à la NASA qui rend ses engins les moins résistants à l'air possible.
Evolution dans le temps
Mais c'est le domaine de l'automobile et du ferroviaire qui nous intéresse ici.
Ainsi, depuis les années 70-80 notamment grâce aux recherches, l'Homme est parvenu à concevoir des véhicules dont le coefficient de pénétration dans l'air (ou de trainée) avoisinne les 0,25 alors qu'il était encore aux alentours de 0, 40 il y a 40 ans.
De même, pour les camions, ce chiffre est passé de 1,1 à 0,9.
Cette amélioration permet entre autre un gain de vitesse et une réduction de la consommation d'énergie considérable (et donc de carburant).
Ainsi, depuis les années 70-80 notamment grâce aux recherches, l'Homme est parvenu à concevoir des véhicules dont le coefficient de pénétration dans l'air (ou de trainée) avoisinne les 0,25 alors qu'il était encore aux alentours de 0, 40 il y a 40 ans.
De même, pour les camions, ce chiffre est passé de 1,1 à 0,9.
Cette amélioration permet entre autre un gain de vitesse et une réduction de la consommation d'énergie considérable (et donc de carburant).
Le cas du Shinkansen
Le Shinkansen est un train japonais qui a été créé en 1964. Grâce à la forme qu'on lui a récemment donné en s'inspirant du martin pêcheur, il a connu un gain de vitesse de 10% et une perte de l'énergie consommée de - 16%. Chez l'ancien train, la force de traînée, c'est à dire la résistance à l'air, représentait plus de 90% de l'opposition au mouvement mais ce pourcentage est désormais plus faible. |
Tout d'abord, la résistance à l'air ou force de traînée diminue lorsque le profil aérodynamique est performant.
Ces courbes montrent que les trains des différentes lignes Shinkansen sont de moins en moins sujets à la résistance à l'air lorsqu'ils sont plus récents. L'adaptation d'un profil imaginé grâce au martin-pêcheur permet donc bien d'améliorer les technologies humaines.
Exemple : ici, la série O, plus ancienne, à un profil aérodynamique moins efficace que la série 500, plus récente car à une même vitesse, sa force de traînée est bien supérieure.
Ces courbes montrent que les trains des différentes lignes Shinkansen sont de moins en moins sujets à la résistance à l'air lorsqu'ils sont plus récents. L'adaptation d'un profil imaginé grâce au martin-pêcheur permet donc bien d'améliorer les technologies humaines.
Exemple : ici, la série O, plus ancienne, à un profil aérodynamique moins efficace que la série 500, plus récente car à une même vitesse, sa force de traînée est bien supérieure.
B- Initiation à la sciences de l’aérodynamisme : Formules, Forces et Valeurs clés.
L'aérodynamismeCe terme désigne l'étude de l'impact des forces créés par l'air sur un corps en mouvement. C'est une science complexe car l'air exerce de nombreuses forces qui doivent toutes être prises en compte lors de la conception d'un véhicule pour le rendre le plus efficace possible lors de sa progression face à l'air ou le vent. Parmi toutes ces forces, on distingue : La force de traînée ou résistance de l'airIl s'agit de la principale force que nous étudierons car elle est la plus forte et la seule présente lors des essais en tunnel aérodynamique (ou soufflerie). Cette force diminue en fonction de l'altitude car l'air y est plus rare mais augmente en fonction de la vitesse.
Ainsi, un avion peut aller à des vitesses bien plus élevées à 1000 m d'altitude qu'à 100m d'altitude. Cette force est exprimée en Newtons (N) et se note F. |
Il dépend de la surface latérale et surtout du poids du véhicule.
Cette force est conséquente sur les camions et les trains mais est négligeable chez les autres types de véhicule. Elle est exprimée en Newtons (N). La déportance ou charge aérodynamiqueElle permet aux véhicules d'être plaqués au sol grâce à un certain profil aérodynamique visible notamment sur les voitures de course.
En effet, à cette vitesse, l' air passant sous la voiture a tendance à la soulever, lui faisant perdre son adhérence avec le sol. C'est pourquoi on observe des ailerons à l'arrière des voitures de courses. Au premier abord on pourrait penser qu'ils sont là par souci d'esthétique mais leur rôle est d'augmenter la résistance à l'air des véhicules. En réalité, ils sont là pour lutter contre la portance car l'air venant le frapper pousse le véhicule vers le sol de telle sorte qu'il garde son adhérence. Elle est exprimée en Newtons (N) et est notée Cz. La portanceCette force s'oppose à la charge aérodynamique.
Il s'agit de la tendance d'une voiture à se soulever en raison de l'infiltration de l'air sous sa carrosserie qui produit un manque d'adhérence pneumatique. Elle augmente avec le carré de la vitesse et affecte donc plus les voitures très rapides. Cette force, que l'on cherche à réduire en automobile est en revanche exploitée au maximum en aéronautique car c'est la force principale qui permet aux avions de se maintenir en l'air. Elle est exprimée en Newtons (N) |
Le travail des forces
Ce terme désigne l'énergie fournie par toutes les forces influentes en aérodynamique dont celles citées ci-dessus ne représentent qu'une mineure partie.
Remarque : Toutefois, toutes ces forces dépendent également de la viscosité de l'air, de la température ainsi que du matériau utilisé mais nous n'en tiendrons pas compte dans nos expériences.
Remarque : Toutefois, toutes ces forces dépendent également de la viscosité de l'air, de la température ainsi que du matériau utilisé mais nous n'en tiendrons pas compte dans nos expériences.
Les écoulements
La nature des écoulements de l'air autour de la carrosserie d'un véhicule est représentative de l'efficacité du profil aérodynamique de ce véhicule.
Deux types d'écoulements peuvent apparaître : les écoulements laminaires ou turbulents : Un écoulement est dit "laminaire" lorsque les particules ont une vitesse parallèle aux parois du contenant. Cet écoulement d'air est représentatif des profils aérodynamiques performant. Par opposition, un écoulement est turbulent si l'air a une trajectoire non parallèles aux parois du contenant: des tourbillons apparaissent alors (turbulences). Ces tourbillons formés sont représentatifs de profils aérodynamiques médiocres. |
Dans le cas des camions, l'ajout de déturbulateurs et bâches lisses permet un profil plus aérodynamique car cela réduit les écoulements tourbillonnaires de l'air .
Le nombre de Reynolds (Re)
Cette loi physique permet de montrer quel type d'écoulement agit sur un véhicule en fonction de la vitesse V de l'écoulement en m/s, de la distance représentative de l'écoulement L en m et de la viscosité cinématique de l'air (15,6*10^-6) m^2 /s.
Si ce nombre est supérieur à 2000 Re, alors l'écoulement sera turbulent autour du véhicule. En cas contraire, il sera laminaire.
Si ce nombre est supérieur à 2000 Re, alors l'écoulement sera turbulent autour du véhicule. En cas contraire, il sera laminaire.
Ce principe est compliqué car il ne s'agit que d'une formule simplifiée, nous ne le développerons donc pas ici bien qu'il soit très fortement utilisé en aérodynamique complexe.
C- Protocole de mesure en laboratoire
Pour pouvoir évaluer le coefficient de traînée où la résistance de l'air d'un objet, il est nécessaire de tester les produits en laboratoire.
Pour cela, les véhicules (ou leur fidèles miniatures) sont placés dans des tunnels aérodynamique ou plus communément appelés souffleries. En effet, en plein air, les forces seraient trop nombreuses et obtenir des mesures se révèlerait impossible. Une soufflerie est composée de nombreuses parties aux fonctions plus ou moins importantes dont les principales sont résumées ici : 1-le dispositif de mise en mouvement du fluide (par exemple un ventilateur, une turbine) : la vitesse du flux d'air envoyé est contrôlée de manière à avoir des valeurs précises et de pouvoir tester les véhicules dans des conditions particulières prédéterminées. 2-une chambre de tranquillisation, contenant des dispositifs permettant de casser les turbulences ( issues d'écoulements turbulents incontrôlés) qui ont pu apparaître dans les conduits. En effet, en conditions normales, il y aurait trop de turbulences et la pression serait trop élevée pour avoir des résultats significatifs qui seraient valables en situation réelle. Cette chambre permet de travailler avec un seul flux d'air et réduit la pression 3-une chambre d'essai (ici cela correspond à la chambre d'aspiration) dans laquelle est installée la maquette à tester. C'est dans cette partie que les capteurs sont installés afin de faire des relevés utiles aux recherches scientifiques. 4-Enfin, un diffuseur (ici cela correspond à la soupape), qui a une forme d'entonnoir. Cette forme permet au flux d'air de sortir sans créer de tourbillons (turbulences), qui, sinon, fausseraient les résultats. Tous cela permet un écoulement calme et laminaire de l'air, et place les véhicules comme en situation réelle. |
|
Toutefois en aérodynamique de nombreux prototypes peuvent être étudiés pour mettre en valeur des phénomènes différents, pour cela différentes souffleries ont été conçues :
Souffleries d'étudeModèles simples à visée éducative, elle sont petites et peu puissantes et servent à montrer les écoulements. |
Souffleries universitaires
|
Souffleries subsoniques
Ces souffleries ont une vitesse d'air jusqu'à 100 m/s ou 360 km/h. On peut y tester les véhicules routiers et les avions en phase de décollage ou d'atterrissage. |
|
Très grandes souffleries
La plus grande soufflerie subsonique à retour est celle de l'ONERA à Modane (plus de 120 mètres de circuit, avec une veine d'expérience de 8 m de diamètre). Très puissante, on peut y tester des modèles de 4 m d'envergure, à plus de 300 m/s soit 1080km/h. La soufflerie subsonique en circuit ouvert la plus grande est celle de la NASA Ames Research Center. Son aire de test atteint 900 m². De plus, elle dispose de 6 ventilateurs d'une puissance totale de 100 MW |
Souffleries hypersoniques
Les souffleries à rafales, ou hypersonique, soufflant un air stocké sous haute pression dans des cuves, permettent d'atteindre de très grandes vitesses ( au delà de la vitesse du son: 300m/s) pour tester les véhicules hypersoniques et la rentrée dans l'atmosphère