CH 2 - Profil d`Aile: Généralités

NOTIONS AERONAUTIQUES
CH 2 - Profil d’Aile:
Généralités
V03
30/09/2014
2013
Helmi TOUEL, Edition 2014 ©
Savoir une chose sur chaque chose!
1. Introduction
2. Définition
3. Nb Reynolds
4. Portance/ Trainée
5. Annexes
AVERTISSEMENT
Ceci n’est pas un cours académique et ne peut pas servir en tant que tel.
Ceci est une approche simplifiée d’une discipline regroupant plusieurs
branches: aérodynamique, mécanique du vol, aéromodélisme, etc.
Certains résultats découlent d’une modélisation donnée (hypothèses).
Généraliser les résultats en dehors de leur cadre peut conduire à des
interprétations erronées.
Certaines assertions reflètent l’interprétation de l’auteur. Le lecteur doit
prendre du recul et les soumettre à son sens critique.
Vos remarques serons très appréciées: [email protected]
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1. Introduction
2. Définition
3. Nb Reynolds
4. Portance/ Trainée
5. Annexes
Sommaire
•Introduction
•Définitions
•Nombre de Reynolds
•Portance, Traînée et Moment
•Annexes
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1. Introduction
2. Définition
3. Nb Reynolds
4. Portance/ Trainée
5. Annexes
Introduction
• Dans ce chapitre on se
propose d’étudier la notion de
profil d’aile: la section
verticale de l’aile.
• Donc notre étude se limitera
à l’aspect 2D de
l’écoulement.
• Ceci se justifie par le faite qu’une étude 2D est plus simple
à faire et donne des bons résultats pour l’évaluation des
profils.
• L’étude 3D, de l’aile, consistera à partir de l’étude 2D et
ajouter les corrections nécessaires.
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1. Introduction
2. Définition
3. Nb Reynolds
4. Portance/ Trainée
5. Annexes
Sommaire:
•Introduction
•Définitions
•Nombre de Reynolds
•Portance, Traînée et Moment
•Annexes
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1. Introduction
2. Définition
3. Nb Reynolds
5. Annexes
4. Portance/ Trainée
Définitions:
• Voici quelques définitions relatives à un profil d’aile
(illustrées sur un Clarck Y)
Extrados
α
Intrados
Bord d’attaque
Bord de fuite
Corde
Extrados: face supérieure du profil,
Intrados: face inférieur du profil,
Bord d’attaque et bord de fuite: extrémités avant et arrière du profil.
La corde: relie le bord d’attaque de l’aile, au bord de fuite.
Angle d’attaque α (Alpha): angle entre la corde et l’écoulement relative
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1. Introduction
2. Définition
3. Nb Reynolds
4. Portance/ Trainée
5. Annexes
Définitions:
• On a aussi.
Cambrure Max
(flèche du profil)
Ligne moyenne
(ligne de cambrure)
Epaisseur
Corde
Épaisseur relative : épaisseur /corde
Flèche du profil (*) : écart entre la ligne moyenne et la corde
La cambrure relative (cambrure Max) : flèche / corde
(*) à ne pas confondre avec la flèche d’une aile.
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1. Introduction
2. Définition
3. Nb Reynolds
4. Portance/ Trainée
5. Annexes
Sommaire
•Introduction
•Définitions
•Nombre de Reynolds
•Portance, Traînée et Moment
•Annexes
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4. Portance/ Trainée
5. Annexes
Ecoulement et Nb de Reynolds
• Dans un écoulement, on s’aperçoit (via les équations de
Naviers et Stocks) qu’on a deux forces qui s’opposent: force
d’inertie vs force de viscosité.
Inversement,
avec une vitesse
importante la
moindre
perturbation se
transforme en
« turbulence ».
Lorsque la viscosité
est importante (par
rapport à la vitesse),
le frottement dissipe
les perturbations et
l’écoulement reste
laminaire.
• Expérience: le phénomène est facile à visualiser en variant le débit
d’un robinet.
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Ecoulement et Nb de Reynolds
• On défini alors le Nb de Reynolds comme suit:
Re =
Force d’inertie
Force de viscosité
=
Uinfini . L caractéristique
Viscosité cinématique
• On distingue trois types d’écoulements:
Re faible; Ecoulement laminaire
Filets d’air parallèle, et freinés au niveau de la paroi
Re moyen: Ecoulement turbulent:
Des particules qui évoluent dans le même sens mais
des trajectoires qui ne sont pas rectilignes
Re important: Ecoulement tourbillonnaire:
Écoulement très désordonné
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Ecoulement sur un profil
• Sur un profil, les trois états peuvent coexister:
•
•
Idéalement, on cherche l’écoulement laminaire (traînée faible).
Au pire, on a l’écoulement tourbillonnaire qui fait chuter la portance
(décrochage).
•  La réalité, c’est une couche laminaire suivi d’une couche turbulente.
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Importance du Nb de Reynolds
• Comme le Re caractérise l’écoulement (et donc les forces
qui s’exercent sur le profil) alors chaque fois qu’on va
étudier un profil il faut définir le Re ou la plage de Re de
l’étude.
• Pour une aile, dans les conditions atmosphériques normales
(1atm, 15°c) on a:
Re = 68000. Corde . Vitesse
•
On peut étudier les ailes avions dans une soufflerie à
condition de respecter le même Re entre l’avion réel
et la maquette -> d’où l’importance de ce concept.
Les premières études en soufflerie (années 20)
ont échoué car on ne respectait pas la notion du
Nb de Reynolds.
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Plage de Re
• Re au-dessus d’un Million:
domaine d’évolution des avions
« grandeurs ».
A320
• Re entre 105 et 1 Million:
domaine de l’aéromodélisme
out-door (30-80km/h).
Piper J3 cub
• Re inférieur à105 : domaine de
l’aéromodélisme in-door (15km/h).
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Ref: Calculer Son Modele Reduit de Kauffman
Yak 54
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5. Annexes
Re critique
• À faible Reynolds, il peut se former ce qu’on appelle une bulle d’air /
une zone morte.
• La zone se forme en général derrière le point d’épaisseur maximum.
• A l’arrière de la bulle, un sillage tourbillonnaire se forme.
• Il ne faut pas utiliser un profil dans le Re critique car il a une forte
traînée et une faible portance.
• Si un profil passe en Re subcritique (chute de vitesse), il s’en sortira
avec un effet hystérise (une vitesse plus importante).
• Pour limiter le Re critique, on peut utiliser les terbulateurs (Vortex
Generator) ou des profils spécifiques (mince).
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•Nombre de Reynolds
•Portance, Traînée et Moment
•Annexes
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Portance, Traînée et Moment
• Un profil (2D) dans un écoulement génère une force
aérodynamique au niveau d’un point appelé centre de
pression.
• Ce point étant décalé du Cg de l’aile, il en résulte
l’apparition d’un moment(*1).
• Le centre de pression est fonction de l’angle d’attaque, il
avance si α augmente.
Le centre de pression n’est pas très
pratique pour étudier un profil.
(*1) Le moment est facile à visualiser via une aile en polystyrène lancée vers l’avant.
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Portance, Traînée et Moment
• L’étude des profils montre que dans une plage linéaire de variation
de la portance, il existe un point fixe où le moment reste constant
(ou presque) indépendamment de l’angle d’attaque. C’est le foyer
(*1).
• Le foyer est en général à 25% de la corde.
Portance
Par une modélisation mathématique, on
montre que tout se passe comme si la
portance s’applique au foyer avec un moment
constant.
Portance
Cg Cp (variable)
Moment
constant
Foyer Cg
Cp
Centre aérodynamique
(*1) on trouve dan la littérature la notion de centre aérodynamique.
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Portance, Traînée et Moment
• Les critères qui vont influer sur les
caractéristiques d’un profil sont:
Traînée
Rigidité (aile3D)
Portance
Epaisseur
Moment
Portance
Trainée
Cambrure
On se propose dans le chapitre 3 de voir ces
notions
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•Introduction
•Définitions
•Nombre de Reynolds
•Portance, traînée et Moment
•Annexes
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5. Annexes
Annexe 1: Turbulateurs
• On a vue qu’une couche turbulente résiste mieux au
décrochage.
• Ainsi on a ajouté volontairement des VG (Vortex
Generators / Turbulateurs) qui génèrent des tourbillons.
• La trainée augmente, mais l’écoulement est plus stable.
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5. Annexes
Annexe 1: Turbulateurs
• Les VG peuvent être disposés sur la voilure:
• Certains utilisent ça sur les voiture:
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Références:
•
Foilers, le blog des bateaux volants
– http://foils.wordpress.com/2011/12/07/portance-13/
Nasa: Nationa Aironautics & Space Administration:
http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/wrong1.html
See how it flies de John S. Denker
http://www.av8n.com/how/htm/airfoils.html
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