Soufflerie à veine fermée circulaire

Une soufflerie (en anglais wind tunnel) est une installation d'essais utilisée en aérodynamique pour étudier les effets d'un écoulement d'air sur un corps, généralement un modèle de dimension réduite par rapport au réel. On peut effectuer dans une soufflerie des mesures, par exemple d'efforts, et des visualisations d'écoulement le plus souvent impossibles à faire dans les conditions réelles de déplacement. Il existe plusieurs centaines de souffleries dans le monde, dont le plus grand nombre sont aux USA.

Une soufflerie désigne aussi un simulateur de chute libre. Dans ce cas l'écoulement d'air est dirigé vers le haut.

Historique

Soufflerie à veine libre type Eiffel

Les premières expériences visant à tester l'écoulement de l'air sur des corps ont été faites soit par chute libre soit avec des manèges, notamment par George Cayley vers 1800; le corps étant supporté par un bras tournant. Cette deuxième méthode ayant l'inconvénient d'introduire des effets centrifuges et de faire évoluer le corps dans son propre sillage aérodynamique, l'idée est venue de créer un mouvement d'air sur un corps immobile. La première soufflerie a été inventée et réalisée en Angleterre par Francis Herbert Wenham en 1871. Constantin Tsiolkovsky construit et expérimente la première soufflerie russe en 1897. Les Frères Wright, cherchant à analyser et améliorer les performances de leurs planeurs, ont également fabriqué une petite soufflerie en 1901. Après celle de Charles Renard, les premières souffleries française sont celles de Gustave Eiffel dans son laboratoire aéroynamique édifié sur le Champ-de-Mars (Paris) en 1909 et réinstallé dans le Quartier d'Auteuil en 1912. La première soufflerie à circuit fermé est celle de Ludwig Prandtl au Centre de Recherche Aérodynamique de Göttingen en 1909. Avec le développement de l'aéronautique militaire à partir de 1910, et suivant la première guerre mondiale, les grandes nations ont construit des souffleries de plus en plus grandes; celle de Chalais-Meudon était la plus grande en 1929.

1923 Variable Density Tunnel à Langley Field

1931 Full Scale Tunnel à Langley Field

1936 First supersonic tunnel à Peenenemunde

1944 40- by 80-Foot Tunnel NACA Ames à Moffet Field

Configuration générale

Schéma d'une soufflerie à circuit ouvert et veine fermée

Une soufflerie se compose d'un circuit aérodynamique comportant une veine d'essais. Le circuit d'air peut être ouvert ou fermé :

Soufflerie à circuit ouvert, dit de "type Eiffel" (par exemple la soufflerie de Gustave Eiffel construite en 1912 rue Boileau à Auteuil, qui est toujours en exploitation ).

Soufflerie à retour (en circuit fermé) (ex: S1MA de l'Onera à Modane-Avrieux en Savoie).

La veine d'essais peut être ouverte ou "libre" comme dans les souffleries Eiffel, guidée (par exemple par un plancher pour tester des automobiles) ou fermée. Dans la plupart des souffleries à retour, la veine d'essais est fermée, ce qui permet de contrôler (et de modifier) la température et la pression de l'air.

Le flux d'air est généralement aspiré et non soufflé sur le modèle, le ventilateur (ou compresseur) étant disposé en aval de la veine d'essais.

Éléments du circuit

Schéma d'une soufflerie à retour; la veine d'essais est ouverte

Soufflerie allemande, 1935. Rotor diam 8.50 m

Arrivée d'air ou collecteur, prenant l'air soit à l'extérieur, soit dans un bâtiment, ou bien l'air revenant de la veine d'essais (circuit à retour)

Chambre de tranquillisation de grande dimensions, comprenant un filtre à alvéoles de type nid d'abeille pour redresser les filets d'air et des grillages très fins pour réduire la turbulence

Convergent (nozzle)servant à accélérer l'air vers la veine d'essais. Le taux de contraction peut dépasser 10

Veine d'essais avec les équipements de mesure. La section de la veine est le plus souvent rectangulaire ou polygonale (rectangulaire avec des panneaux à 45° dans les angles), quelquefois circulaire ou elliptique.

Diffuseur ou divergent; l'air y est progressivement ralenti en élargissant la section avec une conicité faible (environ 2° pour chaque paroi).

Ventilateur ou compresseur; la section de la veine est circulaire au niveau des pales. Les plus grandes souffleries de type ouvert (Chalais-Meudon et Moffet Field) présentent plusieurs rangées de ventilateurs disposés dans un veine rectangulaire ou elliptique.

Sortie d'air (soit à l'extérieur, soit dans un local) ou bien continuité du circuit (circuit à retour). Dans ce cas le circuit présente généralement 4 coudes à 90° équipés de déflecteurs (guide vanes). Les souffleries dites ouvertes placées dans un bâtiment fermé sont en fait des souffleries à retour, le retour se faisant à l'intérieur du bâtiment.

Support du modèle

Avions : pied central (3 axes), pieds latéraux (tangage), dard arrière (tangage, roulis)

Véhicules : sol fixe avec aspiration de la couche limite ou sol défilant à la vitesse du véhicule

Bâtiments/ ouvrages d'art: balance 6 axes

Plateau tournant pour modifier l'azimut (l'angle de lacet)

Équipements de mesure

Balance 6 composantes

Anémomètres

Tubes Pitot

Traitement acoustique de la veine d'essais pour effectuer des mesures de bruit

Conditions de similitude

Dans le cas d'un mobile (avion, véhicule), on considère que l'effet de l'air en mouvement sur le modèle à l'arrêt est le même que sur le modèle en mouvement dans une masse d'air fixe. Pour avoir des résultats d'essais valables à échelle réduite, il faut suivre la loi de similitude qui demande de conserver le nombre de Reynolds traduisant le rapport entre les forces d'inertie et de viscosité de l'air.

Nombre de Reynolds : Re = V . L . rho / mu

V : vitesse de l'air, L : longueur du corps (la corde du profil pour une aile)

rho : masse volumique de l'air, mu : viscosité dynamique

Compte tenu des dimensions des avions les plus grands (gros porteurs), on doit obtenir en soufflerie des nombres de Reynolds très élevés; pour cela on peut jouer sur V, L et rho. Pour L et V, on doit augmenter la taille du modèle et le vitesse de l'air : cela conduit à des souffleries plus grandes et des motorisations plus puissantes. On peut aussi augmenter rho (la masse volumique de l'air) en augmentant la pression d'air dans la soufflerie (soufflerie pressurisée) ou en diminuant la température de l'air (soufflerie cryogénique), ou les deux.

L'air étant compressible, il faut aussi respecter le nombre de Mach dans le cas des grandes vitesses. La plupart des avions de ligne (à réaction) volent à plus de M 0.8.

Types de souffleries aérodynamiques

En fonction des besoins de vitesse et de Reynolds, les caractéristiques physiques de l'écoulement peuvent être modifiées :

Soufflerie classique, atmosphérique,

Soufflerie pressurisée (4 à 10 bars ou plus); le nombre de Reynolds augmente avec la masse volumique de l'air

Soufflerie cryogénique

Soufflerie dite à rafale, caractérisée par un temps de fonctionnement limité (de l'ordre de la minute)

Soufflerie à arc, caractérisée par un temps de fonctionnement très court (quelques secondes) permettant de simuler des conditions extrêmes telles que l'échauffement causé par une rentrée dans l'atmosphère.

Souffleries existantes

Souffleries d'étude
Modèles simples à visée éducative, généralement à circuit ouvert. Dimension de la veine de l'ordre de 60 x 60 cm. Les moins puissantes ont une puissance de quelques kilowatts, ce qui permet de mettre en mouvement une veine fluide de quelques décimètres carrés de section.

Souffleries universitaires
Veines de 1 à 5 m² de section, vitesse de l'ordre de 40 à 60 m/s, permettent des essais de modèles de planeurs et d'avions à basse vitesse (moins de 200 km/h). Exemples, la soufflerie S4 de l'ISAE, ou celle de l'Université d'Orléans.

Veines de 5 à 8 m² de section, vitesse de l'ordre de 50 à 100 m/s, permettent des essais de modèles d'avions plus grands, à vitesse plus élevée. Exemple typique, la soufflerie américaine Texas University 7 x 10 ft (6.32 m²)

Souffleries subsoniques
Ces souffleries ont une vitesse d'air jusqu'à 100 m/s (360 km/h ou M 0.3). On peut y tester les véhicules routiers et les avions en phase de décollage ou d'atterrissage. Exemples, souffleries F1 (pressurisée) et F2 de l'Onera.

Très grandes souffleries La plus grande soufflerie subsonique à retour est celle de l'ONERA à Modane (plus de 120 mètres de circuit, veine d'expérience de 8 m de diamètre), mise en service en 1952. Très puissante (88 MW), on peut y tester des modèles de 4 m d'envergure, à plus de 300 m/s. La soufflerie subsonique en circuit ouvert la plus grande est celle de du NASA Ames Research Center; elle a une section de test ouverte de 80 x 120 ft soit 24 x 36 m, près de 900 m²; elle dispose de 6 ventilateurs d'une puissance totale de 100 MW (135 000 cv).

Souffleries transsoniques
Elles ont une vitesse d'air allant de M 0.5 à M 1.3 permettant de tester les avions à réaction de transport civil volant généralement autour de M 0.80-0.85. La soufflerie transsonique cryogénique Européenne ETW (European Transonic Wind Tunnel) est établie à Cologne, en allemagne. La combinaison de la pression (jusqu'à 4.5 bars ) et de la température très basse (jusqu'à - 160 deg) permet d'obtenir un Nombre de Reynolds équivalent à celui des plus grands avions de ligne (Re 80 M pour l'aile de l'A380). La puissance installée est de 50 MW (68 000 cv).

Souffleries supersoniques
Fonctionnant de M 1.5 à 5, elle permettent de tester les avions de combat et les missiles. Exemples, la soufflerie Onera S2 MA

Souffleries hypersoniques Les souffleries à rafales, soufflant un air stocké sous haute pression dans des cuves, permettent d'atteindre de très grandes vitesses, jusqu'à 25 Mach pour tester les véhicules hypersoniques et la rentrée dans l'atmosphère. Exemples, les souffleries Onera S3 (Mach 5.5) et S4 (Mach 12).

Applications

Tourbillon marginal sur un Cessna 182 en soufflerie

Cône de choc à Mach 1,2 observé par strioscopie

Mesures Les souffleries servent essentiellement à mesurer les pressions locales (sur la surface du modèle), les champs de pressions (en aval du modèle), les forces aérodynamiques de portance (verticale et latérale) et de traînée, les moments aérodynamiques sur les trois axes : tangage, roulis, lacet. Mesures de bruit.

Visualisation d'écoulement en soufflerie

Visualisation L'utilisation de fils souples, de jets d'air colorés ou de produits chimiques sensibles à la nature de l'écoulement permettent de visualiser les lignes d'écoulement et leur nature (attaché, décollé). La strioscopie permet de visualiser les cônes d'ondes de choc en écoulement supersonique.

Comportement Le comportement en vol d'un modèle réduit piloté à distance peut être étudié en soufflerie; si le modèle n'est pas propulsé, il peut être testé dans une veine d'air en pente. Quand le modèle est motorisé (par hélice ou par jet d'air comprimé), il peut être testé dans une soufflerie normale. Il existe des souffleries à axe vertical permettant de tester le comportement des avions en vrille.

Effets climatiques Les effets climatiques - vent, pluie et neige - sur les ouvrages de génie civil ou sur des véhicules sont étudiés dans des souffleries climatiques comme la soufflerie Jules Verne du CSTB se trouvant à Nantes. Ce type de soufflerie permet d'étudier :

le profil des tabliers de ponts avec leurs superstructures pour éviter le phénomène de résonance vibratoire sous l'effet du vent,

l'effet du couplage du vent et de la pluie sur la vibration des haubans des ponts à haubans, ou du couplage entre deux haubans placés l'un à côté de l'autre,

les effets d'accumulation de neige sous l'effet du vent sur de grands couvertures,

la forme des écrans brise-vent des ponts pour assurer la sécurité des véhicules : trains duplex sur les ponts d'Avignon de la LGV Méditerranée, automobiles sur le viaduc de Millau,

la mise au point des normes sur les effets du vent et de la neige (règles Neige et Vent).

Simulateur de chute libre

风洞（英语：Wind tunnel）是空气动力学的研究工具。风洞是一种产生人造气流的管道，用于研究空气流经物体所产生的气动效应。风洞除了主要应用于汽车、飞行器、导弹（尤其是巡弋飞弹、空对空飞弹等）设计领域，也适用于建筑物、高速列车、船舰的空气阻力、耐热与抗压试验等。

历史

莱特兄弟风洞复制品 1871年，弗朗西斯·赫伯特·韦纳姆和约翰·布朗宁设计并建造了世界上第一座风洞 1901年，莱特兄弟为研究飞机及得到正确的飞行资料，发明了风洞隧道进行测试。1902年莱特兄弟以风洞隧道的测试与前两架滑翔机的经验，建造第三架滑翔机，为当时最大的双翼滑翔机，并在机尾加装垂直尾翼，以防止转向时发生翻转，并进行了上千次的试飞。而最终在1903年发明了世界上第一架带有动力的载人飞行器——莱特飞行器。 1945年，第二次世界大战尚未结束时，德国设计并开始建造一个实验段直径1米，最高风速达10马赫的连续式高超音速风洞。战争结束后被美国缴获，美国仿制并作了适当修改后，一直到1961年才在阿诺德中心创建最高风速达12马赫的高超音速风洞。 因为风洞的控制性佳，可重复性高，现今风洞广泛用于汽车空气动力学和风工程（Wind Engineering）的测试，譬如结构物的风力荷载（Wind load）和振动、建筑物通风（Building ventilation）、空气污染（Air pollution）、风力发电或风能（Wind energy）、环境风场（Pedestrian level wind）、复杂地形中的流况、防风设施（Wind break）的功效等。这些问题皆可以利用几何相似的原理，将地形、地物以缩尺模型放置于风洞中，再以仪器量测模型所受之风力或风速。一些研究也指出风洞实验之结果与现地风场的观测（field observation）的结果十分接近，故风洞实验是研究许多风工程问题最常用的方法。风洞实验数据亦可用来验证数值模式，找到较佳的模式参数。

类型

按气流速度区分，风洞可以分为亚音速风洞和超音速风洞两类。通常小型风洞采用高速风扇提供风力，其风速都在每小时1200公里之内。而中型与大型风洞采用预先储存的气体，在短暂的几秒、甚至几毫秒中释放，形成威力巨大的冲击风力。例如在美国和俄罗斯的大型风洞，可放进整架飞机。 按用途区分，风洞可以分为航空用风洞和环境风洞（Environmental wind tunnel）两类。通常航空风洞的试验段短，风速剖面均匀，用于新型飞机之测试。环境风洞的试验段长，风速剖面属边界层分布，风速范围接近自然界风速，又称为大气边界层（Atmospheric boundary layer）风洞，用于风工程之研究。