AÉRODYNAMIQUE
L'AILE DANS UN FLUX D'AIR
- Écoulement autour d'une aile
- Influence de l'angle d'incidence
- Pression autour de l'aile
- Comment la portance est-elle créée
Introduction
Lorsque l'on étudie le comportement d'une aile, on considère qu'une aile se déplaçant dans une masse d'air (avion en vol) est équivalent à une masse d'air se déplaçant autour de l'aile fixe (soufflerie). Ce qui importe est donc le mouvement relatif du corps par rapport à l’air.
Plaques planes inclinées
Nous avons vu à la page Ècoulement de l'air qu'une plaque plate disposée 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.
Mais qu'en plaçant cette plaque perpendiculaire à l'écoulement de l'air nous constatons une forte pression à l'avant de cette plaque et dépression à l'arrière avec effet tourbillonnaire.
Inclinons maintenant cette plaque dans une position intermédiaire, c'est-à-dire faisant un angle `α` avec la direction de l'écoulement d'air, appelé vent relatif. Cet angle est appelé angle d'attaque ou incidence.
Cette fois la force qui s'exerce sur la plaque n'est plus horizontale, mais est inclinée vers l’arrière : on l'appelle alors : résultante aérodynamique. Et cette résultante aérodynamique dépendra du nombre de Mach (vitesse), de la forme de profil d’aile, de l’angle d’attaque et de l’effet de la couche limite.
La résistance de l'air sur la plaque est une force unique, mais elle peut se décomposer en deux force :
- une composante horizontale parallèle au sens de l'écoulement qui constitue la traînée
- une composante perpendiculaire à cette dernière, dirigée vers le haut, que l'on appelle la portance
Écoulement autour d'une aile
La résultante aérodynamique `\vec{Ra}` est donc générée par l'ensemble des surpressions à l'intrados et dépressions à l'extrados, elle augmente avec la finesse et varie suivant l'angle d'incidence, le point d'application de la résultante aérodynamique s 'appelle le centre de poussée.
Cette résultante aérodynamique `\vec{Ra}` peut se décomposer en :
- une force perpendiculaire à la vitesse, appelée portance `\vec{Rz}`
- une force parallèle à la vitesse appelée traînée `\vec{Rx}`
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= \frac{1}{2}ρS V^2 Cz`
L'intensité de la traînée est donnée par la formule :
` Rx= \frac{1}{2}ρS V^2 Cx`
Influence de l'angle d'incidence
L'angle d'incidence est l'angle formé entre la corde du profil et le vent relatif. Il est noté `α`
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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 un 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 donc une différence de pression. Cette différence appelée circulation est à l'origine de la portance aérodynamique. La somme des vitesses d'écoulement est plus grande sur l'extrados que sur l'intrados. Lorsque l'incidence augmente progressivement vers une incidence positive, la portance augmente rapidement jusqu'à un certain point et commence soudainement à diminuer. Au cours de cette action, la composante de traînée augmente lentement au début, puis rapidement lorsque la portance commence à diminuer. Lorsque l'incidence arrive à l'incidence de portance maximale la dépression sur l'extrados diminue brutalement suite au décollement des filets d'air et l'aile "décroche" |
Tomographies réalisées à mi-envergure à ReC2 = 0.53 x 106.
À gauche une aile à faible incidence. À droite une aile à forte incidence à la limite du décrochage.
Pression autour de l'aile
| Les figures ci-contre (See How It Flies de John S.Denker) montrent les tracés des différentes pressions aux environs de l'aile suivant leur angle d'attaque. Toutes les pressions sont mesurées par rapport à la pression atmosphérique ambiante dans le flux libre. Les régions bleutées indiquent les dépressions, c'est-à-dire des pressions inférieures par rapport à la pression ambiante, tandis que les régions rouges indiquent des surpressions c'est à dire des pressions supérieures par rapport à la pression ambiante. On remarque que les pressions positives maximales sur un profil d'aile (en rouge), se trouvent juste aux lignes de stagnation. C'est-à-dire le point d'arrêt du bord d'attaque et le point d'arrêt du bord de fuite. C'est logique car selon le principe de Bernoulli, la pression totale étant constante, si la vitesse diminue la pression augmente. Or sur les lignes de stagnation, l'air étant à l'arrêt la pression est la plus forte possible. La dépression maximum à proximité d'une surface portante dépend de l'angle d'attaque (incidence), et du profil de l'aile. |
Ci-dessus : matérialisation des champs de pression sur une aile de F14
Comment la portance est-elle créée
La façon dont un objet génère de la portance est très complexe et ne se prête pas à la simplification.
L'aile produit une circulation d'air en fonction de son angle d'attaque (et sa Vitesse). Cette circulation de l'air au-dessus de l'aile se déplace plus vite que l'air ambiant. Ce qui provoque une faible pression (dépression) au-dessus de l'aile en conformité avec le principe de Bernoulli. Cette faible pression "tire" vers le haut sur l'aile et "tire" vers le bas le flux d'air, conformément à toutes les lois de Newton.
Il y a donc une déflexion vers le haut à l'avant de l'aile et une déflexion vers le bas en arrière de l'aile.
Sur la photo ci-dessous on voit nettement la vallée creusée dans les nuages par la déflexion vers le bas du flux d'air.
