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Des jets d’air pour mieux voler

Pour que les avions volent bien, les couches d’air les plus proches des ailes doivent rester le plus possible accrochées aux ailes. Pour éviter le décollement de ces « couches limites », les chercheurs de l’Onera mettent au point de petits dispositifs engendrant des jets capables de les maintenir attachées à la surface de l’aile.

Numéro 20

Ces anneaux tourbillonnaires constitutifs du jet, quans ils sont émis à la bonne fréquence, ont la propriété de "recoller" un écoulement qui aurait une facheuse tendance à se séparer de la paroi

Ces anneaux tourbillonnaires constitutifs du jet, quans ils sont émis à la bonne fréquence, ont la propriété de "recoller" un écoulement qui aurait une facheuse tendance à se séparer de la paroi (vidéo)

Les chercheurs font feu de tout bois pour améliorer les performances des avions. L’une de ces voies consiste à faire " coller " au maximum la couche d’air la plus proche de l’avion. En effet, si cette couche d’air dite limite se décolle, ce qui arrive dans certaines phases de vol, cela engendre des turbulences préjudiciables aux performances de l’avion[1]. Or, cette couche tend à se décrocher, notamment à faible vitesse et forte incidence. Les stratégies classiques pour éviter ce décollement jouent sur les gouvernes et volets de l’aile, mais ces moyens mécaniques sont lourds et coûteux. " Une stratégie plus récente consiste à utiliser des dispositifs de plus petite taille qui insufflent de l’air à différents endroits ", explique Eric Garnier, chercheur à l’Onera.

Il ne faut pas imaginer ces jets comme une petite soufflerie, mais plutôt comme un orifice relié à une membrane vibrante, à l’instar d’un haut parleur de chaîne haute fidélité. Cette membrane souffle et aspire l’air à grande fréquence (100 à 1000 Hertz), de telle façon que le débit d’air moyen soit nul. " Cela évite de prélever de l’air à un endroit, il suffit d’apporter de l’électricité, c’est plus simple ", précise le chercheur. L’air sort et rentre de façon alternée, ce qui perturbe l’écoulement près de l’aile de l’avion, de façon que la couche limite se décolle moins. Cette action qui semble mystérieuse s’explique en fait très bien. Les jets pulsés fabriquent des tourbillons, qui ramènent l’écoulement près de la paroi : ils vont chercher l’air le plus rapide et le ramènent là où il est plus lent.

Restent cependant quelques inconnues, et notamment le rôle de la fréquence de la membrane. " Nous avons identifié les fréquences qui fonctionnent bien, mais nous ne comprenons pas pourquoi elles sont efficaces."

Schéma de principe d'un actionneur. Le diaphragme qui oscille au fond de la cavité fait varier le volume de celle-ci. Les allers et retours du fluide au niveau de l'orifice génèrent une cascade de tourbillons organisés en tores.
Schéma de principe d'un actionneur. Le diaphragme qui oscille au fond de la cavité fait varier le volume de celle-ci. Les allers et retours du fluide au niveau de l'orifice génèrent une cascade de tourbillons organisés en tores.

 

C’est à cette tâche que s’attèlent actuellement les chercheurs de l’Onera, et notamment Julien Dandois, un doctorant spécialisé dans les calculs d’écoulements. Il modélise les décollements de la couche limite, puis simule les changements lorsqu’on ajoute des jets synthétiques. «La comparaison entre la situation avec et sans jet synthétique est éloquente : avec le jet, nous parvenons à faire disparaître totalement le décollement, du moins numériquement», se réjouit Eric Garnier.

Les simulations sont particulièrement utiles dans ce cas, car la petite taille de l’orifice par lequel est envoyé le jet synthétique, 3 millimètres de diamètre, rend difficile les mesures expérimentales. Le maillage très précis des simulations offre une finesse supérieure à celle de l’expérience. " Ce sont des calculs très long car il font intervenir deux échelles de temps : celle de la turbulence de paroi qui est la plus rapide, et une autre plus lente associée à la pulsation du jet " L’expérience, indispensable pour confirmer les prédictions théoriques, sera bientôt menée dans une soufflerie de l’Onera.

Calcul 2D sans jet : la zone décollement est installée durablement à l'aval du dispositif, ici inactif
Calcul 2D sans jet : la zone décollement est installée durablement à l'aval du dispositif, ici inactif

Calcul 2D avec jet : les tourbillons émis par l'actionneur "recollent" l'écoulement à la paroi dans l'objectif de meilleures performances globales

Calcul 2D avec jet : les tourbillons émis par l'actionneur "recollent" l'écoulement à la paroi dans l'objectif de meilleures performances globales (video)

Les jets synthétiques pourraient également diminuer le bruit des avions. Pas le bruit des moteurs, bien sûr, mais le bruit aérodynamique [2], engendré par les écoulements de l’air sur l’avion. En effet, pour diminuer le décollement de la couche limite, on utilise actuellement des surfaces déployables qui engendre du bruit dans les phases de décollage et d’atterrissage. remplacer ces dispositifs par des jets synthétiques permettrait de diminuer à la fois le bruit et la masse des ailes. " Nous devrions savoir si ces systèmes sont utilisables ou pas d’ici à 2008 ", précise Eric Garnier.

Tous ces travaux bénéficient de l’émergence récente des micro-systèmes électromécaniques (MEMS), ces systèmes miniatures hérités de la microélectronique, combinant des fonctions électroniques et mécaniques. L’Onera, plus spécialisé en aérodynamique qu’en micromécanique, collabore sur ce sujet avec des laboratoires du CNRS. " Nous imaginons de tapisser une partie significative des ailes de MEMS, envisage le chercheur. Ces dispositifs seront peu coûteux lorsqu’ils seront industrialisés. L’alliance de l’aérodynamique et des actionneurs pourrait faire évoluer considérablement l’aérodynamique traditionnelle. " Rendez-vous dans quelques années.

Calcul 3D "LES" d'un écoulement turbulent sur une rampe descendante équipée d'un actionneur pulsant des tourbillons à l'amont de la zone de décollement
Calcul 3D "LES" d'un écoulement turbulent sur une rampe descendante équipée d'un actionneur pulsant des tourbillons à l'amont de la zone de décollement


Sans actionneur

Avec actionneur

Cécile Michaut, journaliste scientifique.

 

03.10.2005