Aéronautique Cours N°2 Aérodynamique Mécanique du vol

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1 Aéronautique Cours N°2 Aérodynamique Mécanique du vol
Cours Théorique ULM

2 Aérodynamique Les écoulements
On appelle Ecoulement le déplacement de l'air par rapport à un objet. On distingue trois grands types d'écoulement. Ecoulement laminaire Les particules d'air glissent parfaitement les unes sur les autres sans échanges de particules entre elles. Elles suivent un mouvement rectiligne et parallèle. Écoulement turbulent Les particules d'air ont des trajectoires quasiment parallèles entre elles, mais qui ne sont plus rectilignes, tout en se déplaçant globalement dans le même sens à la même vitesse. Cours Théorique ULM

3 Aérodynamique Les écoulements
Écoulement tourbillonnaire L'écoulement est très désordonné, les particules se mélangent et ne suivent ni une trajectoire rectiligne ni parallèle, et certaines particules peuvent remonter le courant et former ainsi des tourbillons. Cours Théorique ULM

4 Aérodynamique Résistance de l’Air
Chaque corps en mouvement dans l'air est soumis de la part de celui-ci à une résistance qui tend à s'opposer à ce mouvement. Les forces de pression dépendent de la forme du corps et la disposition que celui-ci occupe par rapport à la direction de la vitesse relative du flux d'air. Les forces de frottement, dues à la viscosité de l'air, ont un effet directement en rapport avec l'étendue de la surface du corps et aussi avec l'état de cette surface. Cours Théorique ULM

5 Aérodynamique Facteurs influençant la Résistance de l’Air
Forme du corps En installant un appareil ( dynamomètre) relié à la plaque, on peut mesurer cette force de Résistance exercée par l'air et quels sont les facteurs qui vont la constituer. Écoulement de l'air sur un disque plat de faible épaisseur disposé parallèlement aux filets d'air est le siège d'une résistance minimale due simplement au frottement de l'air sur les deux parois de la plaque. Résistance quasi nulle En mettant un disque plat perpendiculaire au flux d'air d'une soufflerie, nous constatons que l'écoulement de l'air peine à contourner l'obstacle et qu'il se forme une surpression à l'avant et une dépression à l'arrière avec effet tourbillonnaire. Résistance 100 % En ajoutant une demi-sphère à l'avant du disque nous constatons que l'air contourne mieux l'objet, la surpression diminue mais il subsiste toujours une dépression et une zone tourbillonnaire à l'arrière. Résistance 75 % Si on complète cette demi-sphère pour former une sphère complète, l'écoulement est amélioré, le zone tourbillonnaire arrière est réduite, mais pas complètement résorbée. Résistance 50 % En étirant la partie arrière de la sphère pour obtenir sensiblement la forme d'un oeuf, on constate que les filets d'air se rejoignent à l'arrière sans créer de tourbillons. On obtient ainsi un corps fuselé. Résistance 15 % Un corps fuselé "pointu" à l'arrière (bord de fuite), crée une circulation. Théorie de la circulation ou de Kutta & Jukowski Résistance 5 % Cours Théorique ULM

6 Aérodynamique avec : Expression de la Résistance de l’Air
Expression Mathématique La résistance de l'air est proportionnelle à la surface présentée perpendiculairement à l'écoulement, au carré de la vitesse de l'écoulement, à la masse volumique de l'air et à la forme du corps. Nous pouvons donc écrire que : R = K.ρ.V2S avec : - R résistance de l'air exprimée en Newton - K coefficient qui tient compte de la forme du corps et de son état de surface - ρ masse volumique de l'air exprimée en kg.m-3 - V vitesse exprimée en ms-1 - S exprimée en m2 surface présentée perpendiculairement à l'écoulement Cours Théorique ULM

7 Aérodynamique Facteurs influençant la Résistance de l’Air
Aire Si on double l'aire de la plaque plane, la force mesurée par le dynamomètre double également: La résistance de l'air est proportionnelle à l'aire. Vitesse En augmentant la vitesse de l'écoulement, la force exercée par l'air augmente elle aussi : La résistance de l'air est proportionnelle au carré de la vitesse Masse volumique La densité de l'air diminue avec l'altitude, la résistance de l'air va diminuer également. On en déduit donc : La résistance de l'air est proportionnelle à la masse volumique de l'air. Forme du corps En installant un appareil ( dynamomètre) relié à la plaque, on peut mesurer cette force de Résistance exercée par l'air et quels sont les facteurs qui vont la constituer. Cours Théorique ULM

8 Aérodynamique Notion de couche limite Couche Limite
Lorsqu’un fluide se déplace autour d’un objet, les champs de vitesse et de pression sont perturbés par cet objet La couche limite est la zone de fluide contiguë à la paroi de l’objet, dans laquelle se produit l’accommodation entre la vitesse nulle de l’objet et la pleine vitesse locale du fluide libre. De nombreuses propriétés de l’écoulement (frottement, transferts thermiques et présence éventuelle de décollements) dépendent de cette couche limite. La notion de la couche limite est due à L.Prandlt, Il permit de livrer une interprétation à bon nombre de phénomènes que la théorie des fluides parfaits ne suffisait à expliquer. C'est la couche limite qui conditionne directement la résistance de frottement du corps. En revanche, en dehors de la couche limite on pourra considérer que le fluide a une viscosité nulle. Il existe donc prés de la paroi une région dans laquelle la vitesse passe de 0 sur la paroi à la vitesse de l’écoulement de fluide parfait à une distance de l’ordre de ℜe - 1/2 de la paroi. Cours Théorique ULM

9 Aérodynamique Notion de couche limite
Couche Limite L'épaisseur d'une couche limite varie suivant l'état de la surface (plus la surface est lisse, plus la couche est mince); mais aussi suivant la vitesse du fluide. L’accélération de l’écoulement hors de la couche limite contribue à amincir la couche limite. En revanche, s’il y a décélération de l’écoulement hors de la couche limite le fluide est emporté de la paroi vers l'écoulement extérieur et se rajoute à l'épaississement de la couche limite provoquée par la diffusion de la quantité de mouvement due à la viscosité. On distingue deux types de couche limite: La couche limite laminaire est caractérisée par le fait que tous les vecteurs vitesses sont parallèles à un même plan, l'écoulement se présente alors sous la forme de lames d'air glissant les unes sur les autres. Ces lames restent rectilignes sur une certaine longueur, puis s’estompent. On observe une telle couche limite vers le bord d'attaque d'un profil. On appelle conventionnellement l'épaisseur δ de la couche limite la distance à la paroi à partir de laquelle la vitesse V est telle que : V =0,99 Vo ( Vo étant la vitesse qui existerait si l'air était sans viscosité). Cours Théorique ULM

10 Aérodynamique Notion de couche limite
On distingue deux types de couche limite: La couche limite laminaire est caractérisée par le fait que tous les vecteurs vitesses sont parallèles à un même plan, l'écoulement se présente alors sous la forme de lames d'air glissant les unes sur les autres. Ces lames restent rectilignes sur une certaine longueur, puis s’estompent. On observe une telle couche limite vers le bord d'attaque d'un profil. On appelle conventionnellement l'épaisseur δ de la couche limite: la distance à la paroi à partir de laquelle la vitesse V est telle que : V =0,99 Vo ( Vo étant la vitesse qui existerait si l'air était sans viscosité). Cours Théorique ULM

11 Aérodynamique Notion de couche limite
On distingue deux types de couche limite: La couche limite turbulente: En fait assez rapidement les lames disparaissent et l'écoulement présente un caractère désordonné, due en partie aux aspérités qui existent toujours sur la paroi. La couche limite devient turbulente et les vecteurs vitesses ne sont plus parallèles ente eux. Vue schématique de la couche limite. Transition Cours Théorique ULM

12 Aérodynamique Notion de couche limite
Sur un profil, il existe donc une zone où la couche limite est laminaire et une zone où la couche limite est turbulente. Sur un avion de transport, l’épaisseur δ de la couche limite qui se développe à la surface de son aile peut varier de: quelques millimètres au bord d’attaque à quelques centimètres au bord de fuite. Cours Théorique ULM

13 Aérodynamique Notion de couche limite
La zone où la couche limite laminaire devient turbulente est la zone de transition. La transition vers la turbulence se déroule généralement en plusieurs étapes : – des ondes d’instabilités de faible amplitude apparaissent d’abord dans l’écoulement laminaire, – ces ondes se déforment et les lignes de vorticité associées à ces perturbations adoptent une forme de fer à cheval et sont progressivement étirées par l’écoulement, – cette structure donne naissance à des instabilités secondaires. Des régions turbulentes ou « spots turbulents » apparaissent en aval, – la croissance puis la fusion de ces structures conduit à l’écoulement turbulent dit pleinement développé. Ci-dessous de gauche à droite l'écoulement laminaire devient turbulent Cours Théorique ULM

14 Aérodynamique Décollement de la couche limite
La nature de la couche n'a pas d'importance, par contre l'important est la "fragilité" de cette couche limite. En considérant les sections 1, 2, 3 d'un profil on constate que la couche limite en 3 est plus fragile qu'en 2, elle-même plus fragile qu'en 1. En fait, le phénomène principal dans une couche limite est le frottement, et ce frottement tout à fait irréversible, consomme de l'énergie sous forme de chaleur. Cette énergie consommée est l'énergie de pression de la couche limite. Soit : P3 < P2 < P1 Il peut arriver que P3 soit supérieur à Po pression aval, c'est le cas des fortes incidences. Cours Théorique ULM

15 Aérodynamique Décollement de la couche limite
La nature de la couche n'a pas d'importance, par contre l'important est la "fragilité" de cette couche limite. En considérant les sections 1, 2, 3 d'un profil on constate que la couche limite en 3 est plus fragile qu'en 2, elle-même plus fragile qu'en 1. En fait, le phénomène principal dans une couche limite est le frottement, et ce frottement tout à fait irréversible, consomme de l'énergie sous forme de chaleur. Cette énergie consommée est l'énergie de pression de la couche limite. Soit : P3 < P2 < P1 Il peut arriver que P3 soit supérieur à Po pression aval, c'est le cas des fortes incidences. Cours Théorique ULM

16 Aérodynamique Décollement de la couche limite
A ce moment il y a inversion locale de l'écoulement et la couche limite décolle .Au delà du point de décollement D la vitesse est inversée. Cette structure d'écoulement n'est pas stable et entraine la formation de tourbillons. Cours Théorique ULM

17 Aérodynamique Comment agir pour contrôler le décollement ?
Le décollement de la couche limite, générateur de perte de portance et d’augmentation de traînée, nuit considérablement aux performances des profils d’ailes. Pour contrôler le décollement, il est apparu naturel d’intervenir au niveau de l’écoulement de proche paroi, car c’est en agissant au niveau de la couche limite qu’il est possible d’influer sur les caractéristiques aérodynamiques globales d’un profil. Plusieurs méthodes ont été explorées comme le soufflage ou l'aspiration. Tous les avions de transport modernes sont équipés de becs à fentes au bord d’attaque et de volets à fentes au bord de fuite des ailes. Cours Théorique ULM

18 Aérodynamique L’Aile dans un flux d’Air
La résultante aérodynamique est générée par: l'ensemble des surpressions à l'intrados et des dépressions à l'extrados. Elle augmente avec la finesse et se déplace suivant l'angle d'incidence, Le point d'application de la résultante aérodynamique s 'appelle le centre de poussée .. Cours Théorique ULM

19 Aérodynamique L’Aile dans un flux d’Air
Cette résultante aérodynamique peut se décomposer en: - une force perpendiculaire à la vitesse, appelée Portance - une force parallèle à la vitesse appelée Traînée Ces deux composantes dépendent de: - ρ la masse volumique de l'air (en kg/m3) - S la surface alaire de l'aile en m2 - V la vitesse de l'écoulement de l'air sur l'aile - Cz pour la portance et Cx pour la trainee En vol rectiligne horizontal stabilisé : L'intensité de la portance est donnée par la formule:   Rz = 1/2 ρ S V2 Cz L'intensité de la traînée est donnée par la formule:   Rz = 1/2 ρ S V2 Cx Cours Théorique ULM

20 Aérodynamique Influence de l'angle d'incidence
Cette résultante aérodynamique peut se décomposer en: -L'angle d'incidence est l'angle formé entre la corde du profil et le vent relatif. Il est noté α Lorsqu'un corps se trouve dans un flux d'air, celui-ci "s'ouvre" devant pour le contourner de tous les côtés, et se "referme" derrière. L'endroit où le flux d'air "s'ouvre", et celui où le flux d'air se "referme" s'appellent les lignes de séparation qui se trouvent juste devant les points d'arrêt. Au point d'arrêt lui-même, appelé également point de stagnation la vitesse du flux est égale à zéro. Lorsqu'un profil aérodynamique tel une aile se trouve dans une flux d'air avec un angle d'incidence approprié, il se crée une différence entre les sommes de vitesse des particules d'air s'écoulant le long de l'extrados et de l'intrados. Cette différence appelée circulation est à l'origine de la portance aérodynamique. La somme des viteses d'écoulement est plus grande sur l'extrados que sur l'intrados. Une augmentation de l'incidence accroit la circulation donc la portance, jusqu'à la position où la dépression sur l'extrados diminue brutalement suite au décollement des filets d'air et l'aile "décroche". Cours Théorique ULM

21 Facteur de charge Vol en Virage
La portance , qui s'exerce toujours perpendiculairement aux ailes, n'est plus verticale et ne compense plus le poids Fc Rz Fv = mg Cours Théorique ULM

22 L’Allongement Cours Théorique ULM

23 L’Allongement Cours Théorique ULM

24 L’Allongement Cours Théorique ULM

25 Assiette _ Incidence _ dérive
C’est l’angle entre l’axe longitudinal de l’ULM et l’horizon. Incidence: C’est l’angle entre la corde de l’aile avec le vent relatif Cap: Orientation de l’axe longitudinal par rapport au Nord (magnétique). Dérive: Angle entre le cap et la route (à suivre au sol) Assiette Vent relatif Incidence Cours Théorique ULM