Chapitre VI: Ecoulements lin´earis´es, les profils minces
Nous ´etudions les profils minces en ´ecoulement compressible. La g´eom´etrie est identique `a celle
´etudi´ee en incompressible 1.
Sur la figure (1), est un petit param`etre mesurant l’´epaisseur du profil. L’extrados (resp.
~
U
i=α
A
Ox
y
~n
y=f(x)
y=f+(x)
F
L
Figure 1: Profil mince en ´ecoulement uniforme amont ~
U.
l’intrados) a pour ´equation y+=f+(x) (resp. y=f(x)). Le bord d’attaque est en A et le
bord de fuite en F de coordonn´ees (l, 0). On note ~n la normale sortante au profil. Le profil peut ˆetre
inclin´e par rapport `a l’horizontale d’un angle i. L’´ecoulement amont est uniforme de vitesse ~
U, de
pression pet de masse volumique ρ. L’objectif est de d´eterminer pour ce profil, les coefficients
de train´ee et de portance. Lorsque est petit et tend vers 0, le profil tend vers un segment [0, l].
On dit alors que ce profil est mince. Nous allons utiliser cette propri´et´e pour r´esoudre ce probl`eme
de fa¸con approcee en le lin´earisant .
1 Equation lin´earis´ee
L’´ecoulement est celui d’un fluide parfait, stationnaire, bidimensionnel, adiabatique de fluide par-
fait. On n´eglige les forces massiques. La vitesse est not´ee U= (u, v). Avec ces hypoth`eses
l’´ecoulement est isentropique (cf chapitre I) et l’on peut ´ecrire les ´equations r´egissant l’´ecoulement
sous la forme:
dt +ρdivU= 0 (a)
U
t + rot(U)U+ grad U2
2+1
ρgradp= 0 (b)
s
t +Ugrad(s) = 0 (c)
(1)
On suppose d’autre part que l’´ecoulement amont est stationnaire et uniforme. L’´ecoulement est
homoentropique. La loi d’´etat du fluide est alors p=g(ρ, s0) ce qui caract´erise un ´ecoulement
barotrope. On a (cf calcul chapitre II ´equations (12) et (13)):
gradp=c2gradρ(2)
L’´ecoulement ´etant uniforme `a l’infini, le rotationnel de la vitesse est nul, il est en outre barotrope,
parfait et on n´eglige les forces ext´erieures, on peut appliquer le th´eor`eme de Lagrange. L’´ecoulement
1cf cours MF101
47
est alors irrotationnel au cours du mouvement. On remplace alors l’´equation (1) (c) par rotU= 0:
U
c2grad(p) + ρdivU= 0 (a)
grad U2
2+1
ρgradp= 0 (b)
u
y v
x = 0 (c)
(3)
En multipliant l’´equation (3) (a) par c2
ρet en la soustrayant `a l’´equation (3) (b) multipli´ee par U,
on obtient: ((u2c2)u
x +uv u
y + (v2c2)v
y = 0
u
y v
x = 0 (4)
D’autre part le profil est mince, en premi`ere approximation il est assimilable `a un segment sur
lequel l’´ecoulement resterait identique avec une vitesse partout ´egale `a ~
U, une pression p, une
masse volumique ρ. En pr´esence du profil l’´ecoulement est perturb´e et l’on peut ´ecrire:
u=U+u1
v=v1
p=p+p1
ρ=ρ+ρ1
(5)
La vitesse du son peut ´egalement ˆetre lin´earis´ee, compte tenu de la loi d’´etat rappel´ee avant
l’´equation (2):
c=sp
ρs
=sg
ρs
(6)
avec:
g(ρ, s0) = g(ρ+ρ1, s0) = g(ρ, s0) + ∂gρ (ρ, s0) (7)
Ainsi,
c=c+O() (8)
La lin´earisation de l’´equation (4) compte tenu de (5) et (8) en se limitant aux termes d’ordre
conduit `a:
(U2
c2
)u1
x c2
v1
y = 0
u1
y v1
x = 0
(9)
Le fluide ´etant parfait il faut ´ecrire en outre la condition de glissement sur le profil.
u
v!.~n±= 0 avec ~n±= gradF±(x, y) (10)
o`u ~n±est la normale sur l’extrados (indice +) ou sur l’intrados (indice ) et F+(x, y) = yf +(x),
F(x, y) = yf(x) les ´equations de l’extrados et de l’intrados (cf figure (1)). Compte tenu de
(5), la condition de glissement s’´ecrit en se limitant aux termes dominants:
v1x, y =f±(x)=U
df±
dx (11)
En faisant un d´eveloppement de Taylor de v1(x, y =f±(x)) autour de y= 0±, on obtient finale-
ment:
v1x, y = 0±=U
df±
dx (12)
Soit Mle nombre de Mach `a l’infini , le syst`eme `a r´esoudre est le suivant:
(M2
1)u1
x v1
y = 0
sur le profil v1(x, y = 0±) = Udf±
dx
`a l’infini amont u10, v10
(13)
48
Il est ´evident que lorsque Mest proche de 1, le terme M2
1 devient petit et la lin´earisation
n’est plus possible, ce r´egime appel´e r´egime transsonique est plus d´elicat `a traiter et ne sera pas
abord´e dans ce cours, on pourra se r´ef´erer par exemple `a Modern Compressible Flow de Anderson
pour plus de d´etails.
2 Classification selon le nombre de Mach
Avant de r´esoudre le syst`eme lin´earis´e pr´ec´edent nous allons ´etudier le syst`eme (9) en fonction de
la valeur du nombre de Mach en utilisant la m´ethode vu en Annexe du chapitre III. Supposons
connues les vitesses u1et v1, la classification de cette ´equation n´ecessiste la r´esolution de:
M2
1 0 0 1
01 1 0
1 0 λ0
0 1 0 λ
u1, x
v1, x
u1, y
v1, y
=
0
0
du1
dx C
dv1
dx C
(14)
Le d´eterminant associ´e `a la matrice dans (14) vaut:
(1 M2
)λ2+ 1 = 0 (15)
L’application triviale de la ethode des caract´eristiques montre que pour un ´ecoulement subsonique
M<1, l’´equation (15) n’a pas de racines r´eelles le syst`eme (9) est elliptique (cf Annexe), si
M>1 , il existe par contre deux racines r´elles et donc le syst`eme (9) est hyperbolique. On peut
en outre d´eterminer deux courbes caract´eristiques C±efinies par: :
dy
dx =λ±(16)
avec λ±les deux racines de (15) dans le cas hyperbolique. Sur chaque caract´eristique il est possible
de mettre en ´evidence des invariants de Riemann qui r´esultent d’une relation de compatibilit´e:
le second membre de (14) doit appartenir `a l’image de l’endomorphisme associ´e `a la matrice du
syst`eme (14), on a alors:
Sur C+du1+λ+dv1= 0 Sur Cdu1+λdv1= 0 (17)
3 R´esolution
Pour achever la r´esolution nous allons exploiter le caract`ere irrotationnel de l’´ecoulement qui garan-
tit l’existence d’un potentiel des vitesses Φ:
U= gradΦ (18)
En lin´earisant on obtient:
avec Φ = Ux+φ1(19)
Le syst`eme (13) peut ˆetre ecrit `a l’aide du potentiel des vitesses:
(M2
1)2φ1
2x2φ1
2y= 0
sur le profil φ1
y (x, y = 0±) = Udf ±
dx
`a l’infini amont φ10
(20)
Nous allons d´eterminer dans le cas subsonique et dans le cas supersonique les principales propri´et´es.
Ceci permet dans les diverses applications de calculer les coefficients de pression, de portance et de
49
train´ee que nous rappelons. Le coefficient de pression est donn´e respectivement sur l’extrados et
l’intrados par:
C±
p=p±p
1/2ρU2
(21)
Compte tenu de (5) on a :
C±
p=2p1
1/2ρU2
(22)
L’´equation (3)(b) lin´earis´ee donne:
p1=ρUu1(23)
Ainsi (22) devient:
C±
p=2u1
U
=2φ1
x
U
(24)
On rappelle ´egalement les d´efinitions des coefficients de portance et de train´ee2:
CP=P
1/2ρU2
(l)avec P=Zl
0
(p
1p+
1)dx (25)
Cx =Fx
1/2ρU2
(l)avec Fx=2Zl
0
(p+
1
df+
dx p
1
df
dx )dx (26)
3.1 Cas subsonique: Affinit´e de Prandtl-Glauert
L’affinit´e de Prandtl Glauert est une transformation ´el´ementaire qui permet de passer du cas
subsonique au cas incompressible. Soit β2= 1 M2
et posons y=Yet φ1=φ/β, en reportant
dans l’´equation (20) il vient:
φ= 0 avec φ
Y x, 0±=U
df±
dx (27)
C’est exactement le probl`eme qui avait ´et´e pos´e en incompressible pour l’´ecoulement autour du
mˆeme profil3.
En utilisant les relations de Prandtl-Glauert. Le coefficient de pression (24) devient:
Cp=2φ
x
βU
=Cp0
p1M2
et CP=CP0
p1M2
(28)
avec Cp0et CP0, les valeurs des coefficients de pression et de portance en incompressible. On
constate que pour Mtendant vers 1, ces coefficients deviennent infinis, il en est de mˆeme du
coefficient de train´ee. Cette ´etude simplifi´ee apporte des ´el´ements de r´eponse aux ph´enom`enes
observ´es par les pilotes lorqu’ils s’approchaient de M= 1. Les coefficients de train´ee augmentaient
tellement que tout se passait comme s’ils avaient un mur `a franchir, le mur du son.
3.2 Le cas supersonique
On notera maintenant:
β2=M2
1 (29)
Comme nous l’avons d´ej`a vu, le syst`eme (9) est hyperbolique et il existe deux familles de car-
act´eristiques d´etermin´ees en (16). Dans le plan (x, y) ces caract´eristiques sont des droites d’´equations:
C+ξ=xβy, Cη=x+βy, (30)
2cf cours MF101
3Mecanique des fluides incompressibles, cours MF101
50
Il est imm´ediat de constater que pour M>1, l’´equation (20) n’est rien d’autre que l’´equation
des ondes classiques de l’acoustique lin´eaire. Les invariants de Riemann (17) conduisent sur la C+
Sur une courbe ξ =xβy, du1+λ+dv1= 0 (31)
Sur la C+,u1+λ+v1, ne d´epend pas de ξ. De mˆeme,
Sur une courbe η =x+βy, du1+λdv1= 0 (32)
Sur la C,u1+λv1, ne d´epend pas de η. On peut alors ´ecrire:
u1=a(ξ) + b(η)v1=β(a(ξ)b(η)) (33)
Sur toute droite d´equation ξ=xβy,a(ξ) se conserve et sur la droite d’´equation η=x+βy,b(η)
se conserve.
Dans les ´ecoulements lin´earis´es, l’information (en provenance des conditions aux limites) se propage
dans le sens de l’´ecoulement sur les deux familles de caract´eristiques.
Ces caract´eristiques sont des discontinuit´es faibles de l’´ecoulement (cf chapitre III). Les ondes de
Mach de la d´etente de Prandtl-Meyer correspondent `a des caract´eristiques de l´ecoulement dans
un cas plus g´en´eral non lin´earis´e. Une m´ethode optique sensible aux variations des d´eriv´ees de
la masse volumique, par exemple la strioscopie, permet exp´erimentalement de les visualiser. Elles
sont moins visibles que les chocs car les discontinuit´es y sont plus faibles. Sur le profil de la figure
(2) on peut distinguer une zone claire correspondant `a une d´etente constitu´ee d’un faisceau de
caract´eristiques.
Figure 2: Ondes de d´etente constitu´ee de caract´eristiques et Ondes de choc sur un profil.
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