La soufflerie : une réalisation aérodynamique

Lorsque l'on se lance dans la conception d'une hélice ou d'une aile, on se retrouve très vite confronté à la question du choix du profil, ou plutôt, des profils qui donneront sa forme à notre hélice ou l'aile. Pour choisir un profil aérodynamique, il faut que nous puissions évaluer ses performances dans la situation de fonctionnement qui nous intéresse. Les essais aérodynamiques se font en soufflerie dans lequel est crée un mouvement d'air pour simuler la résistance de l'air sur des objets avec des maquettes reliées à des instruments de mesure et à des moyens informatiques d'analyse. 

La soufflerie est donc une excellente solution pour valider les principes aérodynamiques ou pour effectuer des tests de portance et de traînée. Pour des problèmes évidents de coûts, c'est sur une mini soufflerie que seront expérimentés dans cet partie les règles de l'aérodynamique.  

Les souffleries

On va dans un premier temps vous présenter la soufflerie à aspiration. Elle est essentiellement composée de quatre éléments. Tout d'abord on y trouve le collecteur. Son rôle est d'amener de l'air dans la chambre d'expérience où l'on place le corps à étudier (par exemple : des maquettes, élément d'avion, voir même l'avion en entier si la soufflerie le permet). Il doit le faire avec un minimum de perturbation pour pas que les calculs soient faussés. De plus le collecteur a une forme convergente qui permet d'accélérer l'écoulement pour rendre les conditions de l'expérience encore plus réel. Ensuite à la sortie de la chambre d'expérience, se trouve le diffuseur. Contrairement au collecteur, il est divergent. Cela a pour but de ralentir la vitesse de l'écoulement sans amener des turbulences, le long de sa paroi. Finalement est placé à l'arrière le diffuseur qui aspire l'air en amont depuis l'avant du collecteur pour ensuite le rejeter à l'extérieur. Ainsi avec cette disposition, l'air traversant la chambre d'expérience ne va pas subir de turbulences, crées à cause des pales du ventilateur.

​Ensuite, on peut trouver la soufflerie à retour. Mais quelle est donc la différence avec celle-ci dessus ? De manière générale, la disposition de la soufflerie à retour reste la même. En revanche ce qui va changer est le fait que le tunnel va être fermé. En effet on va relier la sortie de la soufflerie à l'entrée du collecteur. Ainsi l'air est comme emprisonné dans la soufflerie et tourne sans arrêt. L'avantage est qu'il y a un minimum de pertes puisque l'air ne peut pas s'échapper. Ce type de soufflerie est utilisé chez les constructeurs aéronautiques ou automobiles, parfois pour tester des modèles comme par exemple des voitures de taille réelle. L'inconvénient d'une telle installation est du à sa complexité et à son prix.
​Les performances sont notées sous forme de coefficients de portance(Cz), de coefficients traînée (Cx) pour chaque essai. Il faut tenir compte de l'effet d'échelle entre maquette et avion réel (en l'occurrence l'aile).

Création d'une mini soufflerie artisanale 

La soufflerie doit être hermétique, les matériaux utilisés ici seront le bois et le carton, assemblés avec des clous et de la colle chaude.

Il s'agit ici d'une soufflerie miniature, sa taille ne dépassera donc pas les 160 cm par 20 cm pour 20 cm de hauteur.

Pour observer les phénomènes aérodynamiques, il est nécessaire qu'une partie de la soufflerie soit transparente, c'est pourquoi une fenêtre coulissante en plexiglas sera placée devant la veine d'essai.

Un des éléments indispensables de la soufflerie est sa source de flux d'air, qu'il soit soufflé ou aspiré. Plusieurs aspirateurs seront utilisés, afin de créer un flux d'air assez rapide. Le nombre d'aspirateurs sera modifié selon la puissance voulue.

Le diamètre d'un aspirateur est très faible comparé à l'entrée de la soufflerie, c'est d'ailleurs la raison pour laquelle à la soufflerie de base (90 cm) sera ajoutée une rallonge de 70 cm afin de laisser une distance suffisante pour homogénéiser le flux d'air aspiré.

De plus, ce flux doit être rectiligne, c'est pourquoi deux murs de paille placés à l'entrée et à la sortie de la soufflerie feront office de chambre de tranquillisation.

La soufflerie sera aussi munie d'un collecteur d'air à l'avant, portant sa hauteur à 30cm, afin de capturer un maximum d'air.

Pour observer l'écoulement de l'air autour d'un corps, il est nécessaire de mettre en évidence le flux d'air. Une machine à fumée jouera ce rôle.

Enfin, il est primordial d'avoir en mains un ou plusieurs objets aux formes plus ou moins aérodynamiques afin d'observer les phénomènes qu'ils entraînent. De nombreux objets aux formes quelconques ainsi que plusieurs ailes en polystyrène seront donc choisis.

La soufflerie utilisée ainsi que sa modélisation sont illustrées ci-dessous :

Observation et interprétation des phénomènes aérodynamiques

La partie sur l'aérodynamique a donné les explications théoriques permettant d'interpréter le vol de l'oiseau.

Pour vérifier ces explications théoriques, il faut les confronter à l'expérience. C'est là que la soufflerie intervient, grâce à cette construction aérodynamique, on essaiera de valider par l'expérience les phénomènes de portance, d'écoulement de l'air et de traînée.

Tests relatifs à la portance 

Nous allons utiliser l'aile convexe, semi-aile profilée : aile  aérodynamique classique qui porte bien.On place l'aile dans la soufflerie et on crée un vent droit (angle d'incidence nul).

 Dans notre expérience qui démontre le phénomène  de la portance avec l'aile convexe , une portance est crée quand l'aile est exposée au courant d'air droit. L'aile monte vers le haut. La forme de cette aile est bien portante.

Aile  convexe : La ligne moyenne est à simple courbure (intrados plat et extrados convexe) 

La résultante aérodynamique est créer par l'effet de surpression et dépression autour de l'aile, comme le montre le schéma suivant. 

Tests relatifs à la traînée

Dans la partie consacrée à cette force aérodynamique, il a été question de coefficient de traînée .

En faisant apparaître le courant d'air sur l'aile  convexe , nous verrons comment le courant d'air se comporte. Plus le courant d'air prendra la forme de l'objet et ne prendra pas d'espace, plus la traînée de frottement sera minime.

Plus la zone de turbulence derrière l'objet sera grande et visible plus la traînée de forme sera grande.

On observe que le courant d'air s'écoule bien sur l'extrados et l'intrados de l'aile. Le courant d'air prend bien la forme de l'aile convexe. Les turbulences sont très minimes. On peut donc en déduire que le coefficient de traînée de l'aile sera donc très faible.

Conclusion des expériences relatives à la portance et à la traînée

Nous avons montré l'évolution du coefficient d'incidence de l'aile