Les souffleries

 

 

Une soufflerie (en anglais wind tunnel) est une installation d'essais aérodynamiques destinée à étudier les effets d'un écoulement d'air sur un corps, généralement un modèle de dimension réduite par rapport au réel.

Les premiers essais visant à tester l’aérodynamique furent effectués par chute libre puis avec des manèges, notamment (vers 1800) par George Cayley, le père de l’aérodynamique.  C’était une première approche mais, la méthode de la chute libre ne permettait pas un suivi facile du corps à tester et il était difficile d’obtenir des vitesses importantes, le manège, ou le corps était supporté par un bras tournant avait l'inconvénient d'introduire des effets centrifuges et de faire évoluer le corps dans son propre sillage aérodynamique, l'idée est venue de créer un mouvement d'air sur un corps immobile. La première soufflerie fut inventée et construite en Angleterre en 1871.

Le plus souvent, les profils d'ailes héritent du nom de la soufflerie dans laquelle ils ont été développés.

 

Types de souffleries

Une soufflerie se compose d'un circuit aérodynamique comportant une veine d'essais, on va trouver plusieurs types,

Souffleries subsoniques : soufflerie à veine ouverte (type Eiffel), soufflerie à retour (type Prandtl)

Soufflerie transsonique

Soufflerie hypersonique ou à rafales.

 

-Soufflerie à circuit ouvert, dit de "type Eiffel"

C’est la conception la plus simple, l’air est aspiré en aval de la veine d’essais ce qui évite les turbulences dues au ventilateur. Avantage, conception simple peu onéreuse, mais l’atmosphère n’est pas contrôlable, le moteur qui actionne le ventilateur doit fournie la puissance à la fois pour mettre en mouvement la masse d’air et pour compenser les frottements de l’air contre les parois.

- soufflerie à retour type « Prandtl » 

Cette soufflerie a la même structure que celle à circuit ouvert, sauf que l’on a bouclé le circuit de manière à faire recirculer l’air. Le moteur doit en régime stabilisé uniquement fournir la puissance correspondant aux pertes par frottements. L’inconvénient de cette formule est l’échauffement de l’ait à l’intérieur du circuit ce qui diminue la masse volumique de l’air et modifie le nombre de Reynolds, ce qui oblige à réfrigérer l’air contenu. Par contre le circuit étant étanche, on peut aussi influencer le nombre de Reynolds en faisant varier, la température, la pression, ou mettre un autre gaz.

-soufflerie transsonique 

Elles sont de 2 types, soit issues du modèle Prandtl ou l’air est refroidi à -160° la pression interne augmentés jusqu’à 4 000hPa et l’air remplacé par de l’azote. Ainsi, même si la vitesse de l’air n’est pas transsonique, on retrouve un nombre de Reynolds équivalent. L’autre type de soufflerie transsonique s’apparente aux souffleries hypersoniques.

-soufflerie super et hypersonique, ou soufflerie à rafale ou à impulsion. Il n’est pas possible d’obtenir de façon continue des vitesses hypersoniques (mach 5 et plus) en soufflerie : on génère des rafales par détente du gaz issu d’une tuyère vers une sphère à vide.

L’inconvénient est que la chambre d’expérience est très petite ce qui oblige à tester des maquettes très petite et que le temps d’observation est extrêmement court.

 

Influence de la taille de la soufflerie

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.

Compte tenu des dimensions des avions les plus grands et de la taille relativement modeste des veines d’essai, on doit obtenir en soufflerie des nombres de Reynolds très élevés. Pour retrouver un nombre de Reynolds cohérent avec le modèle réel, on peut jouer sur V, L et rho. Pour L et V, on doit augmenter la taille du modèle et la vitesse de l'air, mais 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).

 

Applications aéronautiques des souffleries

-Mesures des forces et des pressions

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.

Pour ce faire la maquette est munie de capteurs et montée sur une balance

 

 

 

 

 

 

-Mesures de bruit.

-Visualisation des écoulements

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.