Cours 1 : Les objectifs de l’aérodynamique, domaines d...

Reynald [email protected]

Cours 1 : Les objectifs de l’aérodynamique, domaines d’applicationEfforts aérodynamiques, quelques définitions élément airesRappels de thermodynamique

Master 2 – Dynamique des fluideset énergétique

L'aérodynamique : pour quoi faire ?

1. déterminer les composantes de la force et du momentauxquels le véhicule est soumis du fait de l'écoule ment

forces mouvement du centre de gravité ou traje ctoire

charge utile, motorisation, rayon d'action

moments mouvements autour du centre de gravi té

stabilité, manœuvrabilité, tenue de route

Objet étude de l'écoulement autour des véhicules

2. déterminer les actions locales du fluide sur le véh icule


dimensionnement des systèmes derefroidissement tuyères de lanceur

systèmes de chauffage et de ventilation

pression tenue locale de la structure

dimensionnement des protectionsthermiques véhicules hypersoniques

flux de chaleur résistance à l'échauffement de la structure

3. évaluer et minimiser nuisances et impact sur l'envi ronnement


vibrations confort passagers et charge utile (satellite)

bruit passagers et riverains (importance poli tique)

émission de polluants minimisation et di spersion

génération de tourbillons gène au trafic a éro-portuairebruit émis, éclaboussures...

4. Les aspects instationnaires de l’aérodynamique


vibrations confort passagers et charge utile (satellite)

les écoulements peuvent être le siège de fluctuatio ns ou instabilitésdues au décollement et aux ondes de choc

fortes fluctuations tremblement, pompage des prises d’air

couplage aéroélastique avec la structure flottement

c’est l’apparition d’instabilités (ou instationnarité s) qui le plussouvent limite les performances d’un système(portance maximale, taux de compression)

phénomènes de transitoire allumage d’un mot eur fusée

génération d’ondes de choc

instationnarités forcées rotor d’hélicoptère, turbomachine…

Introduction générale

Domaines applicatifs de l'aérodynamique

Véhicules aériens ou aéronefs

avions de transport drones

avions d’affaire dirigeables

avions de combat planeurs

avions de tourisme

hélicoptères

missiles tactiques et stratégiques

lanceurs spatiaux

corps de rentrée (sondes spatiales)

navette spatiale



Problèmes spécifiques del'hydrodynamique

interface air-eaucavitation

Véhicules marins

sous-marins

hydroglisseurs

navire de surface

Véhicules terrestres

automobiles

camions

trains à grande vitesse

voitures de formule 1

sportifs !



Moteurs et machines tournantes

compresseurs

turbines

prises d'air

tuyères propulsives

éoliennes



Aérodynamique externe

écoulement autour du véhicule : aile, fuselage…

Aérodynamique interne

écoulement dans l'ensemble propulseur :moteur, prise d'air, tuyère...

Domaine mixte

intégration motrice : nacelle propulsive

• Propagation de polluants• Analyse de la tenue des bâtiments au vent

?=

Exemple d’application : les sites urbains


?=

Exemple d’application : traînée des bateaux


Exemple d’application : traînée des sous-marins

soufflerie S2Ch (Onera Meudon)


?=

Exemple d’application : les véhicules terrestres



Exemple d’application : voiture en essai

le tapis roulant est moins large que la voiture

soufflerie aéroacoustique S2A à Saint-Cyr-l’Ecole(GIE Renault, PSA Peugeot-Citroën)

Exemple d’application : dimensionnement des propulse urs

• Problème de cavitation

?=


Exemple d’application : dimensionnement d’un rotor d ’hélicoptère

• Champ de vitesses au niveau des pales du rotor (mesures par vélocimétrie laser)

soufflerie S2Ch (Onera Meudon)


?=

Exemple d’application : efforts aérodynamiques des a vions


Centre Onera de Modane-Avrieux

soufflerie S1MA


Ventilateur de la soufflerie transsonique S1MA de l’One ra


Soufflerie S1MA : un des coins du circuit de l'insta llationavec ses aubages redresseurs

eh moi ! eh moi !


Essai de largage de charge dans la soufflerie S1MA : tir d'unmissile Apache sous Mirage 2000


montage sur dard arrière

Maquette d'Airbus A340 dans la veine de la soufflerie S1MA


Maquette d'Airbus A320 dans la veine de la soufflerie S1MA


soufflerie haute vitesse (Mach >> 1)

?=

Exemple d’application : corps de rentrée atmosphérique

• Problème de l’échauffement sur les parois


La soufflerie R5Ch à Mach 10 basse pression de l’Onera- Meudon


Visualisation par fluorescence excitée par faisceaud'électrons (FFE) de l'écoulement autour du Mars Pathfinder

dard support de maquette

soufflerie R5Ch (Onera Meudon)


La soufflerie F4 du Centre Onera du Fauga-Mauzac

chambre à arc caisson d'essais

réservoir à vide

tube strioscopie

tube strioscopie

réservoir d'air oud'azote



Domaines d’action de l'aérodynamique

réduction de la traînée des avions de transportéconomie de carburant ou augmentation

de la vitesse commerciale

contrôle des écoulements pour éviter les décollementset les instabilités, diminuer la traînée, augmenter l' efficacité,retarder la transition laminaire-turbulent ...

maîtrise ou suppression des sources de bruit(moteurs, voilures) intérêt politique évid ent(domaine de l'aéroacoustique)


Domaines d’action de l'aérodynamique

maîtriser les enroulements tourbillonnaires résultant desdécollements tridimensionnels : tourbillons émis par les ailesdes avions de transport sécurité du trafic aéroportuaire

discrétion radar et infra-rouge des avions de combatincidence de l'aérodynamique sur la signature

et les contre-mesures

aérodynamique des extrêmestrès grandes vitesses : véhicules hypersoniques civils

ou militaires, lanceurs nouveauxfaibles vitesses et très petits nombres de Reynolds :

micro-drones

Les efforts aérodynamiques, quelques définitions élé mentaires

Hawker - Hurricane

résultante des actions de contact de l'écoulement (pressionet frottement) sur le véhicule en mouvement

Efforts aérodynamiques

données équivalentes

F�

F�

force appliquée (transportée) en GF�

mouvement de l'avion déterminé par transport de au centrede gravité G

F�

force aérodynamique

point d'application de ou centre de poussée C

moment de par rapport à G FCGM�⌢

××××====F�

M⌢

ensemble {{{{ }}}}M,F⌢�

torseur aérodynamique

problème connaître et le point d'application CF�

Décomposition des efforts aérodynamiques

F�

appliquée au centre de gravité trajectoire de l'avion

M⌢

appliqué au centre de gravité équilibrage de l'avion

G

Forces et moments du torseur aérodynamique


force latérale Y

Mmoment

NmomentXtraînée

Zcetanpor

tangagelacet

roulisX

Y

Z

O

Lmoment

Décomposition des efforts aérodynamiques

composantes du moment M⌢

xM projection de selon l'axe moment de roulisM⌢

yM projection de selon l'axe moment de tangageM⌢


X�

projection de selon l'axe moment de lacetzM M⌢

Z�

Y�


Moments aérodynamiques et équilibrage de l'avion

moment [aile + empennage] / centre de gravité = 0équilibrage

poids

portance de l'aile empennage

G

poids

portance de l'aile empennage


Équilibrage de l'avion

centre de poussée de l'aile en avant du centre de gravité

centrage arrière

l'empennage a une portance positive

poids

portance de l'aile

empennage

Équilibrage de l'avion

centre de poussée de l'aile en arrière du centre de gravité

centrage avant

l'empennage a une portance négative ou déportance



Profil bidimensionnel

écoulement invariant selon l'envergure supposée infini e

bord d'attaque

bord de fuite

angle d'incidence ααααintrados

extrados

vitesse amont

V∞∞∞∞


résultante et décomposition des forces aérodynamiques

centre de poussée

V∞∞∞∞

αααα

FZ

FX

FN

FA

F


résultante et décomposition des forces aérodynamiques


repère lié au profil

force normale

force axiale

repère lié à la vitesse amont

portance

traînée

FZ

FX

FN

FA

αααα++++αααα==== sinFcosFF ANZ

αααα−−−−αααα==== cosFsinFF ANX


Coefficients aérodynamiques

repère lié à la vitesse amontrepère lié au profil

SV21

FC

2

NN

∞∞∞∞∞∞∞∞ρρρρ====

SV21

FC

2

ZZ

∞∞∞∞∞∞∞∞ρρρρ====

SV21

FC

2

AA

∞∞∞∞∞∞∞∞ρρρρ====

SV21

FC

2

XX

∞∞∞∞∞∞∞∞ρρρρ====

coefficientde traînée

coefficientde portance

coefficientde forcenormale

coefficientde forceaxiale


αααα

Courbe de portance d'un profil

incidence

portance maximale

décollementpartie linéaire

0P====αααα

αααα

incidence deportance nulle

ππππ≈≈≈≈αααα

2d

dC z


zC

décrochage


moment aérodynamique


moment cabreur moment piqueur

M (positif) M (négatif)

déstabilisateur :augmentation de l’incidenceaugmentation du moment

stabilisateur :diminution de l’incidencediminution du moment


Finesse aérodynamique

forces agissant sur un avion en vol

V∞∞∞∞

portance F Z

traînée

FX

poids mg

poussée

TG


trajectoire de l'avion dans un plan vertical

forces : poids mg, portance F Z, traînée F X, poussée T


FZ

FX

mg

V

z

x

T

rayon de courbure

r

θθθθ


équations du mouvement du centre de gravité

θθθθ−−−−ρρρρ−−−−====θθθθ−−−−−−−−==== ∞∞∞∞∞∞∞∞ sinmgCSV21

TsinmgFTdtdV

m X2

X

θθθθ−−−−ρρρρ====θθθθ−−−−====ωωωω ∞∞∞∞∞∞∞∞ cosmgCSV21

cosmgFrm Z2

Z2

selon la trajectoire

selon la normale

vitesse angulairerV

dtd ====θθθθ====ωωωω



vol rectiligne, à vitesse constante, sans moteur

θθθθ−−−−ρρρρ−−−−====θθθθ−−−−−−−−==== ∞∞∞∞∞∞∞∞ sinmgCSV21

sinmgF0 X2

X

θθθθ−−−−ρρρρ====θθθθ−−−−==== ∞∞∞∞∞∞∞∞ cosmgCSV21

cosmgF0 Z2

Z

θθθθ−−−−==== sinmgFX

θθθθ==== cosmgFZ



X

Z

X

Z

CC

FF

gcot −−−−====−−−−====θθθθ

X

Z

CC

f ==== finesse aérodynamique

caractérise la qualité planante de l'aile ou de l'avio n

planeur de vol à voile ∼∼∼∼ 50 - Airbus ∼∼∼∼ 20 - Concorde ∼∼∼∼ 7avion de combat ∼∼∼∼ 4 - Navette Spatiale ∼∼∼∼ 2 à 3

pente θθθθ faible point d'impact au sol éloigné


θθθθH

L

si Airbus en panne moteur à H = 10km impact sol à L = 200km

définitiontraînée

cetanporFF

fx

z ========

qualité planante de l'avion

pente de la trajectoire en vol planéf1

tg ====θθθθ

en vol à vitesse constante gmFz ××××==== poids de l'avion

traînée = effort propulsif ≈≈≈≈ consommation en carburant

finesseloitationexp'dcoût

eargchonconsommati

avion'ldepoids ≈≈≈≈

finesse efficacité aérodynamique



Courbe polaire ou polaire

CZ

CX

finesse maximale

ββββ======== tgCC

fx

z

β

0,1

0,2

0,3

0,4

0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

graduée en incidences


Formule de Bréguet

dtTCdm s−−−−==== masse de kérosène/kilo depoussée/heure ≡ kg/daN/h

sC consommation spécifique

x2 CSV

21

T ρρρρ==== z2 CSV

21

gm ρρρρ====vol à vitesseconstante

Vdx

SCV21

CSCV

21

gmdm

x2

s

z2

ρρρρρρρρ

−−−−==== dxVf

Cg

mdm s−−−−====

consommation en carburant diminution de masse


m masse de l'avion

Formule de Bréguet

distance franchissable

====−−−−====

2

1

s12 m

mLog

Cf

gMa

xxL

importance du groupement

sCMf

finessenombre de Machconsommation spécifique

Boeing 707 Airbus A340 Concorde Avion de combatCs 0,95 0,65 1,21 2,5f 16 19 7,3 3,5M 0,75 0,83 2 2

fM/C s 12,6 24,3 12 2,8


m1 : masse au décollage m2 : masse à l'atterrissage

m1 - m2 : masse de carburant m2 : masse structure + charge utile

augmenter L diminuer m 2 diminuer masse structure

Potentiel de réduction de consommation

0% 50% 100%

aérodynamique

technologie des moteurs

poids

configuration

33%

22%

8%

4%

potentiel à long terme

objectif 2020 pour l'Union Européenne :diminution de 50% de la consommation

% de réduction

distance

Décomposition de la traînée d'un avion de transport

100 %

50 %

traînée defrottement

traînée induitepar la portance

interférencestraînéed'onde

parasite 100 %

50 %

traînée defrottement

traînée induitepar la portance

interférencestraînéed'onde

parasite

subsonique supersonique

Potentiel de réduction de la traînée d'un avion de t ransport

traînée de frottement

traînéeinduite

interférencestraînée d'onde

parasite100

20

40

60

80

0

traînéetotale (%) gain

potentiel

-3%

-10%

-20%

-33%

actionsaérodynamiques

contrôle du chocintégration

optimisation de formeaile adaptativewing tip

contrôle de laminaritécontrôle de turbulenceet des décollements

total

wing tip

pression intrados > pression extrados co ntournementet formation du tourbillon de bout d’aile

Réduction de la traînée induite par wing tip

tunnel hydrodynamique - Onera

Sillage tourbillonnaire d'une maquette d'avion de tra nsport

document Onera

Sillage tourbillonnaire d'un avion de tourisme

Sillage tourbillonnaire des avions

Distances de séparation imposées par OACI

Action du fluide sur une surface

vecteur tension

dsPFd��

====

P�

effort normal pression

effort tangentiel frottement

dsnpFd 1

��

−−−−====

dstFd 2

��

ττττ====

ds)tnp(Fd�

��

ττττ++++−−−−====

P�

n�

t�

ds

ττττp

tension



y

x

BA BF

V∞∞∞∞ αααα

θθθθ

θθθθ

θθθθθθθθ

n�

n�

t�

t�



effort élémentaire côté extrados

effort élémentaire côté intrados

dssindscospdF ee)e(N θθθθττττ++++θθθθ−−−−====

dscosdssinpdF ee)e(A θθθθττττ++++θθθθ====

dssindscospdF ii)i(N θθθθττττ++++θθθθ====

dscosdssinpdF ii)i(A θθθθττττ++++θθθθ−−−−====



(((( )))) (((( ))))∫∫∫∫∫∫∫∫ θθθθττττ++++θθθθ++++θθθθττττ++++θθθθ−−−−====BF

BA ii

BF

BA eeN dssincospdssincospF

force normale ( ∼∼∼∼ portance si incidence faible)

(((( )))) (((( ))))∫∫∫∫∫∫∫∫ θθθθττττ++++θθθθ−−−−++++θθθθττττ++++θθθθ====BF

BA ii

BF

BA eeA dscossinpdscossinpF

force axiale ( ∼∼∼∼ traînée si incidence faible)



expression de la traînée

(((( )))) (((( ))))∫∫∫∫∫∫∫∫ θθθθττττ++++θθθθ−−−−++++θθθθττττ++++θθθθ====BF

BA ii

BF

BA eeA dscossinpdscossinpF

(((( ))))∫∫∫∫ θθθθ−−−−θθθθ====BF

BA ie)pression(A dssinpsinpF

(((( ))))∫∫∫∫ θθθθττττ++++θθθθττττ====BF

BA ie)frottement(A dscoscosF

traînée de frottement

traînée de pression


Répartition de pression et portance

profil mince ( θθθθ ≈≈≈≈ 0 ), incidence faible ( αααα ≈≈≈≈ 0 )

(((( ))))∫∫∫∫ −−−−≅≅≅≅≅≅≅≅BF

BA eiNZ dxppFF

(((( ))))∫∫∫∫ −−−−−−−−≅≅≅≅BF

BA )i(p)e(pZ dxCCC

coefficient de pression2

p

V21

ppC

∞∞∞∞∞∞∞∞

∞∞∞∞

ρρρρ

−−−−====

C : corde, b : enverguresurface de référence S = C ××××b


Répartition de pression et portance

portance aire comprise entre les répartitio ns de C p intrados/extrados

BA

pression intrados

pression extrados

BF

BF

BA

- Cp

-

+

point d'arrêt

XC

BA


Décollement de la couche limite et décrochage aérod ynamique


couche limite décollement

zone décolléeV∞∞∞∞V∞∞∞∞

αααα αααα

écoulementattaché

incidence trop élevée :écoulement décollée

portancediminuée

- Cp - Cp

x x

αααα αααα

BA

pression dynamique 22 Mp2

V21

q ∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞γγγγ====ρρρρ====

Pression locale

coefficient de pression

∞∞∞∞

∞∞∞∞−−−−====q

ppCp


coefficient de frottement

∞∞∞∞

ττττ====

qC p

f

Principaux coefficients locaux

Frottement local

effort tangentielparoi

p nu

∂∂∂∂∂∂∂∂µµµµ====ττττ

nu

paroinu

∂∂∂∂∂∂∂∂



coefficient de flux de chaleur(nombre de Stanton) (((( ))))fpee

pt hhu

qS

−−−−ρρρρ====

(((( ))))ff Th enthalpie (température)de frottement :équilibre adiabatique

(((( ))))fppee

pt TTCu

qS

−−−−ρρρρ====

pC chaleur spécifique àpression constante

Flux de chaleur pariétal

énergie/unité de temps/unité de surface

paroip n

Tq

∂∂∂∂∂∂∂∂λλλλ−−−−====

n Tparoin

T

∂∂∂∂∂∂∂∂

pT

2m/W



connaissance des efforts locaux

efforts globaux par intégration

détermination des charges sur la structure

connaissance du flux de chaleur local c harges thermiques

dimensionnement des protections thermiques

dimensionnement des systèmes de refroidissement

évaluation des températures de peau (RDM)

préoccupation déterminante en hypersonique (corps de re ntrée)

Quelques valeurs typiques pour la portance et la traîné e

croisière décollageCz Cx finesse C z Cx finesse

transportsubsonique

0,50 0,0270 18,5 1,5 0,13 11,5

transportsupersonique

0,12 0,012 10 0,40 0,045 8,9

interceptionCz Cx finesse

avion de combatà aile delta

0,14 0,020 7


Quelques valeurs typiques pour la portance et la traîné e

surface frontale S (m 2) Cx S××××Cx (m2)

moto - tourisme 0,7 0,90 0,63voiture berline 1,8 0,30 0,54monospace 2,6 0,50 1,30semi-remorque 9 0,90 8,10formule 1 1,6 0,90 1,44cycliste - tourisme 0,5 1,00 0,5

Véhicules terrestres

transitoire spiraleCz Cx finesse C z Cx finesse

planeur vol à voile 0,3 0,01 30 1,0 0,066 15,2


Rappels de thermodynamique

K/mole/J3145,8RMR

r ====⇒⇒⇒⇒==== constante des gaz parfaits

K/kg/J287rmole/kg029,0M ====⇒⇒⇒⇒====pour l'airM ≡≡≡≡ masse molaire

si interactions moléculaires (gaz à haute pression)

2va

bvrT

p −−−−−−−−

====équation de Van der Walls

ρρρρ masse volumique , volume spéc ifiqueρρρρ

==== 1v

équation d'état pour un gaz parfait ouTrp ====ρρρρ Trvp ====

(masse de gaz unité)


Équation d’état

K/kg/J1003C:air'lpourtetanconsC pp ≈≈≈≈====

gaz calorifiquement parfait :

tetanconsCv ====

4,1:air'lpourC

C

v

p ====γγγγ====γγγγ

enthalpie spécifique dTCdh p====ρρρρ

++++====++++==== pevpeh

TCe v==== TCh p====

énergie interne spécifique dTCde v====

Fonctions thermodynamiques


Gaz divariant à l'équilibre thermodynamique et chimique

)T,p(ee====énergie interne

)T,p(ρρρρ====ρρρρmasse volumique

)h,s(pp==== )h,s(ρρρρ====ρρρρ )h,s(TT====

ou bien :

représentation dans le plan des variables [s , h]

diagramme de Mollier

entropie )T,p(ss====

)T,p(hh====enthalpie


Diagramme de Mollier pour l'air

enthalpie

entropie

h/rT a

s/r

isotherme

isobare


Premier principe de la thermodynamique

système constitué d'une masse unité limité par une cer taine frontière: passage de l'état 1 à l'état 2

système échange avec le milieu extérieur

variation d'énergie interne spécifique entre 1 et 2 te lle que

quantité de chaleurq∆∆∆∆

travail des forces extérieures appliquées au systèmew∆∆∆∆

wqee 12 ∆∆∆∆++++∆∆∆∆====−−−−

wqde δδδδ++++δδδδ====sous forme différentielle

processus d'échange énergétique

adiabatique

réversible absence de phénomène dissipatif

isentropique adiabatique + réversible

si processus réversible dvpw −−−−====δδδδ

volume spécifique du systèmeρρρρ

==== 1v

dvpqde −−−−δδδδ====

Premier principe de la thermodynamique

Deuxième principe de la thermodynamique

système de masse unité échangeant avec l'extérieur la quantité dechaleur de façon réversible

T température absolue du système

pour un échange quelconque

Tq

ds revδδδδ====

Tq

dsδδδδ≥≥≥≥

passage de l'état 1 à l'état 2Tq

ss 12

∆∆∆∆≥≥≥≥−−−−

transformation adiabatique 0ss 12 ≥≥≥≥−−−−

fonction d'état s appelée entropie (spécifique) telle que

revqδδδδ

qδδδδ

Deuxième principe de la thermodynamique

expression de l'entropie

dedvpq ====−−−−δδδδprocessus réversible

dedvpTds ====−−−− dvpdeTds ++++====

enthalpie pveh ++++==== vdpdvpdedh ++++++++====

dpvdhTds −−−−====

ρρρρ−−−−==== dp

dhTds

1

2

1

2v12 Logr

TT

LogCssρρρρρρρρ−−−−====−−−−

TCe v==== TCh p====énergie interne enthalpie

1

2

1

2p12 p

pLogr

TT

LogCss −−−−====−−−−entropie

tetanconsT 11

====ρρρρ −−−−γγγγ−−−−

tetanconsp ====ρρρρ γγγγ−−−−

évolution isentropique : s 2 - s1 = 0

Gaz calorifiquement parfait

État générateur

état du fluide correspondant à un ralentissement isentropiquede l'écoulement jusqu'à la vitesse nulle

(((( )))) 0pLogrTLogCpLogrTLogCss piipi ====−−−−−−−−−−−−====−−−−

conditions génératrices : T i , p i ...

s'identifie avec l'état du fluide en amont avant mise en vitesse

conditions réservoir

ρρρρ====

ρρρρ∂∂∂∂∂∂∂∂====

ddpp

as

2vitesse du son

évolution isentropique et gaz calorifiquement parfait

tetanconsp ====ρρρρ γγγγ−−−− 0d

pdp ====

ρρρρρρρργγγγ−−−−

ρρρργγγγ====

ρρρρp

ddp

(((( ))))h1Trp

ddp

a2 −−−−γγγγ====γγγγ====ρρρρ

γγγγ====ρρρρ

====

Expression de la vitesse du son

L'hypothèse du gaz parfait - et a fortiori calorifiquem ent parfait –n'est plus vérifiée dans des conditions extrêmes de pressionet de température

le gaz se comporte alors comme un gaz réel

A haute température - rentrée dans l'atmosphère par exemp le –l'air se dissocie

O2 →→→→ O + O

N2 →→→→ N + N

O + O →→→→ O2

N + N →→→→ N2

O + N →→→→ NO……………..

diagramme de Mollier (si équilibre thermodynamique)

Effets de gaz réel

Effets de gaz réel : dissociation des composants de l'air

avec l'aimable permission du VKIEffets de gaz réel

Curtiss P40 Tomahawk

Fin du cours

Cours 1 : Les objectifs de l’aérodynamique, domaines d...

Documents

Transcript of Cours 1 : Les objectifs de l’aérodynamique, domaines d...