Soufflerie

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Soufflerie à veine fermée circulaire

Une soufflerie (en anglais Wind Tunnel) 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 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 USA.

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

Historique[modifier | modifier le code]

Soufflerie à veine libre type Eiffel

Les premières expériences visant à tester l'écoulement de l'air sur des corps ont été faites avec des manèges, notamment par George Cayley vers 1800; le corps étant supporté par un bras tournant. Cette méthode ayant l'inconvénient d'introduire des effets centrifuges et de faire évoluer le corps dans son sillage aérodynamique, 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 en 1871. Constantin Tsiolkovsky construit et expérimente la première soufflerie russe en 1897. Les Frères Wright, cherchant à analyser et améliorer les performances de leurs planeurs, ont également fabriqué une petite soufflerie en 1901. Après celle de Charles Renard, les premières souffleries française sont celles de Gustave Eiffel en 1909 et 1912. 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 Variable Density Tunnel à Langley Field
1931 Full Scale Tunnel à Langley Field
1936 First supersonic tunnel à Peenenemunde
1944 40- by 80-Foot Tunnel NACA Ames à Moffet Field

Configuration générale[modifier | modifier le code]

Schéma d'une soufflerie à circuit ouvert et veine fermée

Une soufflerie se compose d'un circuit aérodynamique comportant une veine d'essais. Le circuit d'air peut être ouvert ou fermé :

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[modifier | modifier le code]

Schéma d'une soufflerie à retour; la veine d'essais est ouverte
Soufflerie allemande, 1935. Rotor diam 8.50 m
  • 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 tranquillisation, 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
  • Convergent (nozzle)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 4 coudes à 90° équipés de déflecteurs (guide vanes). Les souffleries dites ouvertes placées dans un bâtiment fermé sont en fait des souffleries à retour, le retour se faisant à l'intérieur du bâtiment.

Support du modèle[modifier | modifier le code]

  • Avions : pied central (3 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
  • Plateau tournant pour modifier l'azimut (l'angle de lacet)

Équipements de mesure[modifier | modifier le code]

  • Balance 6 composantes
  • Traitement acoustique de la veine d'essais pour effectuer des mesures de bruit

Conditions de similitude[modifier | modifier le code]

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 : Re = V . L . rho / mu
V : vitesse de l'air, L : longueur du corps (la corde du profil pour une aile)
rho : masse volumique de l'air, mu : 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 rho. Pour L et V, on doit augmenter la taille du modèle et le 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 M 0.8.

Types de souffleries aérodynamiques[modifier | modifier le code]

En fonction des besoins de vitesse et de Reynolds, les caractéristiques physiques de l'écoulement peuvent être modifiées :

  • Soufflerie classique, atmosphérique,
  • Soufflerie pressurisée (4 à 10 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[modifier | modifier le code]

Souffleries d'étude
Modèles simples à visée éducative, généralement à circuit ouvert. Dimension de la veine de l'ordre de 60 x 60 cm. 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.

Souffleries universitaires
Veines de 1 à 5 m² de section, vitesse de l'ordre de 40 à 60 m/s, permettent des essais de modèles de planeurs et d'avions à basse vitesse (moins de 200 km/h). Exemples, la soufflerie S4 de l'ISAE[2], ou celle de l'Université d'Orléans.

Veines de 5 à 8 m² de section, vitesse de l'ordre de 50 à 100 m/s, permettent des essais de modèles d'avions plus grands, à vitesse plus élevée. Exemple typique, la soufflerie américaine Texas University 7 x 10 ft (6.32 m²)[3]

Souffleries subsoniques
Ces souffleries ont une vitesse d'air jusqu'à 100 m/s (360 km/h ou M 0.3). On peut y tester les véhicules routiers et les avions en phase de décollage ou d'atterrissage. Exemples, souffleries F1 (pressurisée) et F2 de l'Onera.

Très grandes souffleries
La plus grande soufflerie subsonique à retour est celle de l'ONERA à Modane[4] (plus de 120 mètres de circuit, veine d'expérience de 8 m de diamètre), mise en service en 1952. Très puissante (88 MW), on peut y tester des modèles de 4 m d'envergure, à plus de 300 m/s. La soufflerie subsonique en circuit ouvert la plus grande est celle de du NASA Ames Research Center; elle a une section de test ouverte de 80 x 120 ft soit 24 x 36 m, près de 900 m²; elle dispose de 6 ventilateurs d'une puissance totale de 100 MW (135 000 cv).

Souffleries transsoniques
Elles ont une vitesse d'air allant de M 0.5 à M 1.3 permettant de tester les avions à réaction de transport civil volant généralement autour de M 0.80-0.85. La soufflerie transsonique cryogénique Européenne ETW (European Transonic Wind Tunnel) est établie à Cologne, en allemagne[5]. La combinaison de la pression (jusqu'à 4.5 bars ) et de la température très basse (jusqu'à - 160 deg) permet d'obtenir un Nombre de Reynolds équivalent à celui des plus grands avions de ligne (Re 80 M pour l'aile de l'A380). La puissance installée est de 50 MW (68 000 cv).

Souffleries supersoniques
Fonctionnant de M 1.5 à 5, elle permettent de tester les avions de combat et les missiles. Exemples, la soufflerie Onera S2 MA[6]

Souffleries hypersoniques
Les souffleries à rafales, soufflant un air stocké sous haute pression dans des cuves, permettent d'atteindre de très grandes vitesses, jusqu'à 25 Mach pour tester les véhicules hypersoniques et la rentrée dans l'atmosphère. Exemples, les souffleries Onera S3 (Mach 5.5) et S4 (Mach 12).

Applications[modifier | modifier le code]

Tourbillon marginal sur un Cessna 182 en soufflerie
Cône de choc à Mach 1,2 observé par strioscopie

Mesures
Les souffleries servent essentiellement à mesurer les pressions locales (sur la surface du modèle), les champs de pressions (en aval du modèle), les forces aérodynamiques de portance (verticale et latérale) et de traînée, les moments aérodynamiques sur les trois axes : tangage, roulis, lacet.
Mesures de bruit.

Visualisation d'écoulement en soufflerie

Visualisation
L'utilisation de fils souples, de jets d'air colorés ou de produits chimiques sensibles à la nature de l'écoulement permettent de visualiser les lignes d'écoulement et leur nature (attaché, décollé). La strioscopie permet de visualiser les cônes d'ondes de choc en écoulement supersonique.

Comportement
Le comportement en vol d'un modèle réduit piloté à distance peut être étudié en soufflerie; si le modèle n'est pas propulsé, il peut être testé dans une veine d'air en pente[7]. Quand le modèle est motorisé (par hélice ou par jet d'air comprimé), il peut être testé dans une soufflerie normale[8].
Il existe des souffleries à axe vertical permettant de tester le comportement des avions en vrille[9].

Effets climatiques
Les effets climatiques - vent, pluie et neige - sur les ouvrages de génie civil ou sur des véhicules sont étudiés dans des souffleries climatiques comme la soufflerie Jules Verne du CSTB se trouvant à Nantes. Ce type de soufflerie permet d'étudier :

  • le profil des tabliers de ponts avec leurs superstructures pour éviter le phénomène de résonance vibratoire sous l'effet du vent,
  • l'effet du couplage du vent et de la pluie sur la vibration des haubans des ponts à haubans, ou du couplage entre deux haubans placés l'un à côté de l'autre,
  • les effets d'accumulation de neige sous l'effet du vent sur de grands couvertures,
  • la forme des écrans brise-vent des ponts pour assurer la sécurité des véhicules : trains duplex sur les ponts d'Avignon de la LGV Méditerranée, automobiles sur le viaduc de Millau,
  • la mise au point des normes sur les effets du vent et de la neige (règles Neige et Vent).

Simulateur de chute libre

Références[modifier | modifier le code]

  1. La soufflerie Eiffel du Laboratoire Arodynamique Eiffel [1]
  2. Soufflerie S4 de l'ISAE [2]
  3. Texas University wind tunnel [3]
  4. Soufflerie Onera S1 MA [4]
  5. ETW [5]
  6. Onera S1 et S2 [6]
  7. Free Flight 12 ft Langley, tunnel à circuit ouvert orientable placé dans une sphère, cf. rapport Naca TN 810
  8. essais de l'avion canard Rutan VariEze à l'échelle 0.36, cf. rapport Nasa TP 2623
  9. Soufflerie verticale de l'ONERA à Lille [7]

Sources[modifier | modifier le code]

  • La soufflerie F2 du centre de Fauga-Mauzac, ONERA 1983, rapport NACA [8]
  • Design rules for small low speed wind tunnels [9]
  • Wind Tunnel Design, Peter Bradshaw – Rabi Mehtahttp, [10]
  • Pourquoi des souffleries ?[11]
  • Qu’est ce qu’une soufflerie ?[12]

Liens internes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

Sur les autres projets Wikimedia :

  • Les souffleries de la NASA [13]
  • Souffleries du continent américain [14]