La turbulence
publicité
La turbulence Généralités Définitions écoulement turbulent couche limite Classification turbulence potentielle turbulence effective Origines de la turbulence turbulence de frottement turbulence d'écoulement au voisinage du relief l'exemple de NICE ondes orographiques turbulence en air clair TAC et jets au voisinage des fronts inversion de températures turbulence convective turbulence de sillage Effets, prévention, détection, prévision effets prévention détection prévision QUITTER Généralités • Phénomène fréquemment observé : tendance naturelle de l'atmosphère à s'animer de mouvements parfois violents • Accidents majeurs avec destruction de l'avion : exceptionnels (résistance avions, procédures…) • Incidents, accidents corporels : nombreux • Aspect confort en transport public (passagers, équipages): ne doit pas être négligé • Prévention du phénomène : à partir d'une bonne information • Prévision fine du phénomène : souvent "délicate" Première diapositive 2 Définitions (1/3) • Mouvements de l'air aléatoires et constamment changeants se superposant au mouvement moyen mouvement moyen • La notion de turbulence est étroitement liée à la notion d'échelle – à l'échelle de la circulation générale, une perturbation synoptique est turbulente – à l'échelle moyenne la convection est turbulente – à l'échelle du laboratoire le mouvement Brownien (agitation thermique) est turbulent Première diapositive 3 Définitions (2/3) • Écoulement laminaire et turbulent – à l'échelle considérée Écoulement laminaire relative constance dans le temps et dans l'espace du vecteur vitesse de la particule Écoulement turbulent variation aléatoire dans le temps et dans l'espace du vecteur vitesse de la particule Première diapositive 4 profil de vent hauteur • Couche limite atmosphérique atmosphère libre vent géostrophique 3000/5000' couche limite atmosphérique Définitions (3/3) de la surface à une hauteur de 3000/5000ft caractérisée par un couche limite de transition écoulement turbulent. Au- dessus gradient >5kt/1000' c'est l'atmosphère libre 30/150' couche limite de surface : ou couche de frottement, de la surface à couche limite de surface 30/150ft de hauteur ou les forces de vitesse du vent viscosité et de frottement sont prépondérantes V100 V500 V V50 1000 V2000 V100 couche limite de transition : située V25 V3000 immédiatement au-dessus, la force V4000 de Coriolis ne peut plus être entre 100 et 4000ft le vent se entre 0 et 100ft le vent négligée renforce avec la hauteur et se renforce avec la tourne dans le sens des aiguilles d'une montre (HN) Première diapositive hauteur sans rotation 5 Classification de la turbulence (1/3) • Turbulence potentielle - approche descriptive - "liée" aux données atmosphériques : densités, vitesses verticales et horizontales, instabilité ... - peut être caractérisée par le "taux de dissipation turbulente du tourbillon" (proportion d'énergie cinétique contenue dans le tourbillon et transférée par unité de temps) - échelle objective de potentiel turbulent Symbolisme normalisé Intensité classification Taux de dissipation turbulente 0 Non significative <0.2 1 Faible <3 2 Modérée <42 3 Forte <543 4 Extrême >543 Première diapositive 6 Classification de la turbulence (2/3) • Turbulence effective Turbulence Potentielle (atmosphérique) Qualification, quantification, localisation par le météorologiste paramètres avion Turbulence Effective Paramètres pertinents: vitesse, charge alaire, flexibilité voilure, … Accélérations verticales, réactions longitudinales... Paramètres pertinents: instabilité verticale atmosphérique, profils verticaux de vent, taux de dissipation turbulente... : masse volumique w : vitesse de l'air Première diapositive C : caractéristiques aéronef (coef. de portance, coef. d'atténuation de la rafale..) V : vitesse m/s : charge alaire accélération verticale mesurée au centre de gravité C.V.w 2 ms 7 Classification de la turbulence (3/3) • Turbulence effective – échelle de turbulence à 5 niveaux basée sur la réponse () de (x.g0) l'avion à une sollicitation turbulente (échelle OACI) 3,5 2,5 extrême 1,5 forte 1,2 1,05 g0 0,95 modérée faible très faible 0,8 0,5 faible modérée -0,5 forte -1,5 extrême légères oscillations oscillations plus nettes passagers incommodés fortes secousses intermittentes "attachez vos ceintures" pilotage difficile menace sur la structure de l'aéronef, vol inacceptable pour les passagers valeurs extrêmes garantissant l'intégrité structurale pour un aéronef de transport civil Première diapositive 8 Origines de la turbulence Première diapositive Turbulence de frottement • Interaction entre la surface terrestre et le vent dans la couche limite de surface (SFC30/150ft) • Facteurs pertinents – vitesse du vent vent fort fort écart type – rugosité, obstacles (présence, dimensions.. vent faible faible écart type Z Z profil radiatif profil convectif – stabilité verticale t Première diapositive t 10 Turbulence d'écoulement • Résulte du frottement de la viscosité à l'intérieur d'une même tranche, ou entre deux tranches atmosphériques de caractéristiques différentes en termes d'écoulement (vitesse ou direction) • Intéresse toute l'atmosphère (au-dessus de la couche de frottement) • Facteur pertinent – le gradient de vent (horizontal ou vertical) • Localisation – – – – – le relief les jets le sillage nuageux les fronts les inversions de basses couches Première diapositive 11 Turbulence d'écoulement • Au voisinage immédiat du relief frottement et écoulement se conjuguent pour créer de la turbulence audessus des régions accidentées sur des volumes importants autour des reliefs Vent synoptique Première diapositive 12 Turbulence d'écoulement • Au voisinage immédiat du relief : l'exemple de NICE >500ft >500ft Zone agitée NICE Première diapositive 13 Turbulence d'écoulement • Ondes orographiques déferlement tropopause Vent >15 kt air stable h rabattants longueur d’onde typique de 2 à 6 NM Symbole des ondes orographiques marquées Première diapositive 1,2 h Ressauts stationnaires zones de turbulence 14 Turbulence d'écoulement : Turbulence en Air Clair (TAC ou CAT) – terme utilisé en aéronautique pour qualifier la turbulence, en moyenne et haute troposphère ainsi qu'en basse stratosphère, se produisant en dehors des nuages convectifs ni prés de ceux-ci – liée à de fortes variations de direction ou de vitesse du vent – déferlement des ondes vers la tropopause déferlement tropopause – au voisinage des thalwegs d'altitude accusées ou de certaines dorsales marquées L L – au voisinage d'un jet Première diapositive 15 Turbulence d'écoulement : TAC et d'un jet (1/3) horizontal Longueur : 1000 à 5000km largeur : 100 à 500km épaisseur : 150 à 5000m ex1000m axe du jet gradient vertical Zone de TAC Dimensions caractéristiques ordre de grandeur Lx1000 km La turbulence n’est pas continue, l'absence de turbulence pour un avion n’exclut pas sa présence au même endroit quelques minutes plus tard. Ordre de grandeurs des zones turbulentes à l’intérieur d’une zone de TAC lx10km, Lx100km, ex100m soit un facteur 10-1 par rapport à la dimension de la zone de TAC Première diapositive 16 Turbulence d'écoulement : TAC et jet (2/3) • Localisation FL450 FL300 140 kt 120 kt 100 kt 80 kt FL150 isotaches localisation sur une carte TEMSI Première diapositive 17 Turbulence d'écoulement : TAC et jet (3/3) • Gradients et intensité 20 40 kts FL 450 coté tropical 60 2 FL 300 1 140120 100 80 coté polaire FL 150 c HEMISPHERE NORD Typiquement intensité modérée pour des gradients : horizontaux du coté cyclonique (1) 30kt/100NM verticaux au-dessus du cœur (2) 5kt/100ft En terme géostrophique vent et température sont liés, un gradient vertical de 5kt/1000ft correspond à une variation horizontale de la température (latitudes moyennes) de 5°/100NM. A un FL donné une variation rapide de la température implique un risque turbulent. 300 N.M. • Intensité de la TAC jet sinueux, entre deux jets proches, au dessus du relief, des continents Première diapositive • signature de la TAC bandes cirriformes transversales au flux, nuages en formes de virgules 19 Turbulence d'écoulement : au voisinage des fronts variation de direction variation de vitesse jet 120 kt altitude tropopause L isotaches 50 D 40 30 Jet X 50 Y X Y jet de basses couches surface vue satellite et jet de basses couches Première diapositive 20 Turbulence d'écoulement : inversion de température Le refroidissement crée une bulle d'air calme en surface. La force de frottement étant réduite l'air glisse sur cette bulle et, vers le sommet de l'inversion, la vitesse du vent peut être plus d'une fois et demi supérieure à la vitesse du vent géostrophique créant ainsi de la turbulence. Conditions de formation : - la nuit, conditions anticycloniques sur des surfaces continentales - refroidissement nocturne dans les vallées - régions polaires Première diapositive 22 Turbulence convective (1/2) • Apparition, extension et matérialisation de la convection – plus l’activité convective est importante, plus forte est la turbulence – dimension des tourbillons convectifs de quelques dizaines de mètres à plusieurs kilomètres dans les puissantes circulations verticales observées dans les CB – la turbulence se manifeste aussi bien dans le nuage convectif qu'au-dessus, autour et en-dessous Première diapositive 23 Turbulence convective (2/2) 2 à 6000ft • Le CB 10/20NM Première diapositive 24 Turbulence de sillage (1/3) • Turbulence aérodynamique créée par les tourbillons marginaux formés à l’extrémité des ailes d’un avion en vol Première diapositive 25 Turbulence de sillage (2/3) • Persistance des tourbillons situation la plus défavorable : atmosphère stable 5 kt de vent traversier persistance le long de la trajectoire en l'absence de toute autre forme de turbulence (atmosphère stable) Première diapositive 26 Turbulence de sillage (3/3) • la turbulence de sillage des avions est un des facteurs de réduction de capacité aéroportuaire les plus contraignants espacements OACI Première diapositive 27 Effets, prévention, détection, prévision (1/5) • Effets – dans certains cas extrêmes, pilotes (même en auto) ont de sérieuses difficultés à garder le contrôle de la trajectoire – passagers membres d'équipages peuvent être blessés lors d'une turbulence soudaine et intense • passagers non attachés • objets non ou mal arrimés • le personnel navigant commercial est particulièrement exposé • Prévention (conduite du vol) – dans la plupart des cas (sauf super cellule orageuse) le risque sur la structure de l'avion peut être réduit par : • une réduction appropriée de la vitesse de l'avion • une légère majoration en phases décollage et approche • des valeurs seuils déterminent des plages de vitesse d'utilisation en air agité (entre décrochage et facteur de charge) Première diapositive 28 Effets, prévention, détection, prévision (2/5) • Prévention (conduite du vol) – trajectoire et choix du niveau de vol 20 FL 450 jet et TAC 40 kts B 2 FL 300 1 100 140120 coté polaire FL 150 X X' coté tropical 60 X' c 80 A B HEMISPHERE NORD X si possible 300 N.M. A en en route parallèle au jet : choisir un FL sous le cœur et du coté anticyclonique B en en route perpendiculaire au jet : choisir un FL au-dessus ou en dessous du cœur Première diapositive 29 Effets, prévention, détection, prévision (3/5) • détection – la présence de nuages constitue un bon indice de turbulence nuages d'ondes Première diapositive 30 Effets, prévention, détection, prévision (4/5) • détection – la présence de nuages constitue un bon indice de turbulence (nuages, jet et TAC) Plus généralement, la présence de nuages ayant les caractéristiques allongés, étirés, nettement délimités, sont des régions atmosphériques où l’on peut suspecter la présence d’un jet et rencontrer de la turbulence d’écoulement – la variation rapide de la température annonce la présence de gradients de vitesse et d'un risque de turbulence Première diapositive 31 Effets, prévention, détection, prévision (5/5) • Prévision – consiste en la prévision de situations météorologiques potentiellement génératrices de turbulence (jets, perturbations, situations convectives…) – la localisation (quantification) de la turbulence dans l'espace et le temps reste un problème délicat notion d'échelle – les champs de vents et de températures fournis par les modèles de prévisions numériques permettent la localisation 4D des jets et le calculs de gradients horizontaux et verticaux de vitesse. • à partir de quels seuils de valeurs de ces gradients peut-on quantifier la turbulence, alors que les observations avions sont disparates et que le phénomène n'est pas permanent ? Quelle relation entre turbulence potentielle et turbulence effective ? – les messages SIGMET, les cartes TEMSI traduisent le potentiel turbulent de l'atmosphère avec des lacunes liées aux techniques de détection et de prévisions actuelles Première diapositive 32 La turbulence Première diapositive FIN
