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Directeur de Recherche à l'Oneradelery@onera.fr
Jean Délery
MOYENS D'ESSAI ET
SOUFFLERIES AÉRODYNAMIQUES
Association Aéronautique et Astronautique de France
Commission Aérodynamique
Souffleries aérodynamiques
Centre Onera de Modane-Avrieux
Souffleries aérodynamiques
A quoi servent les souffleries ?
C'est un moyen coûteux, bruyant et dangereux de résoudreles équations de Navier-Stokes !
Certes ! Mais sait-on résoudre les équations de Navier-Stokes ?
Toutefois, la résolution des équations de Navier-Stokes complètesest encore hors de portée sur une forme aussi complexe qu'un avion
Il faut simplifier ces équations, en particulier, en modélisantla turbulence
D'où un manque de précision faisant que la confiance dans lescalculs est encore limitée
Oui, dans un certains nombres de cas grâce à la puissance descalculateurs et aux progrès des méthodes numériques
A quoi servent les souffleries ?
La soufflerie est un moyen de prévision du comportement d'unvéhicules en réalisant une simulation expérimentale sur unemaquette en général à échelle réduite
L'expérience fournira les performances (portance, traînée,moments…..) transposables au véhicule réel si des règles desimilitude sont satisfaites
propriétés du fluideforme géométriquenombre de Machnombre de Reynolds
La soufflerie permet aussi de constituer des cas tests pour valider(ou invalider !) les calculs : les conditions de similitudes sont alorssecondaires
Quelques uns des paramètres à respecter :
Souffleries aérodynamiques
dans la réalité, la voiture se déplace dans l'atmosphèreau repos en roulant sur une route fixe
en essai, l'air s'écoule autour de la maquette immobile et laroute est fixe problème de la simulation de l'effet de sol
La soufflerie réalise un changement de repère : le véhicule estfixe et l'air en mouvement. C'est équivalent, sauf en cas d'effetde sol (automobile, train, avion à l'atterrissage ou au décollage)
fixe
fixe tunnel hydrodynamique Onera
Souffleries aérodynamiques
Que réalise une soufflerie ?
Les essais sont exécutés dans une enceinte - ou veine d'essais -constituant un espace confiné effets des parois
Les mesures sont exécutées sur une maquette tenue par unsupport risque de perturbations
L'écoulement arrivant sur la maquette doit être représentatif dela réalité absence de perturbations ou tourbillons,faible niveau de bruit….
Un essai en soufflerie est beaucoup moins coûteux et moinsdangereux (!) qu'un essai en vol. Il permet en outre d'effectuerun grand nombre de mesures autour de la maquette
Les véhicules - aussi bien aériens que terrestres - sont l'objetde très nombreux essais en soufflerie avant leur mise en service
Souffleries aérodynamiques
Les différentes souffleries
Subsoniques : de 0 à 200 m/s - écoulement incompressible
Transsoniques : 0,7 < Mach < 1,3
véhicules terrestres, avions en phase de décollageou d'atterrissage
avions de transport civils (Airbus, Boeing), avionsde combat
Supersoniques : 1,6 < Mach < 4
avions de transport (Concorde), avions de combat, missiles
Hypersoniques : Mach > 5
véhicules hypersoniques (Navette Spatiale), corpsde rentrée
Souffleries aérodynamiques
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie subsonique
Maquette d'A380 dans la soufflerie F1 du Centre Onera du Fauga-Mauzac
Soufflerie subsonique
Circuit de la soufflerie subsonique de l'ENSMA à Poitiers
ventilateur
diffuseur 2
aubages
nid d'abeille
grillages
diffuseur 1
veine d'essais
chambre de tranquillisation
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie subsonique
groupe motoventilateur
réfrigérant
veine d'essaisfiltres anti-turbulence
diffuseur
dimensions en mètre
Circuit de la soufflerie F2 du Centre Onera du Fauga-Mauzac
Vmax ≈ 100m/s
collecteur
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie subsonique
Maquette d'aile delta dans la veine de la soufflerie F2du Centre Onera du Fauga-Mauzac
support de maquettemaquette
1,8 m
montage sur dard arrière
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie subsonique
Maquette d'aile delta dans la veine de la soufflerie F2
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie subsonique
Préparation d'une maquette dans la soufflerie F1du Centre Onera du Fauga-Mauzac
montage type demi-maquette à la paroi
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie subsonique
Maquette de l'Airbus A380 dans la soufflerie DNW aux Pays-Bas
montage sur mâts supports
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie subsonique
Maquette d'hélicoptère motorisée dans la soufflerie S2Chdu Centre Onera de Meudon
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie subsonique
Vélocimétrie laser sur une maquette d'hélicoptère motoriséeSoufflerie S2Ch du Centre de Meudon
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie subsonique
Maquette de sous-marin dans la soufflerie S2Ch du Centre de Meudon
Souffleries aérodynamiques
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie transsonique
Soufflerie S3Ch du Centre Onera de Meudon
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie transsonique
Sources des écarts avec la réalité
qualité de l'écoulement amont
respect du nombre de Mach
respect du nombre de Reynolds
interactions avec les parois
interactions avec les supports
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie transsonique
objectifproduire des écoulements dont le nombre de Mach est proche de 1pour étudier des dispositifs fonctionnant dans le domainetranssonique où des régions supersoniques se forment sur l'avion
difficultés techniques
l'effet de confinement dû aux parois de la veine devientdéterminant la diminution de section produite par lamaquette fait col sonique : effet de blocage
les perturbations supersoniques se propagent selon desdirections presque normales à la maquette (angle de Machproche de 90°) elles se réfléchissent sur les paroiset retombent sur la maquette
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie transsonique
Effet de blocage sonique produit par la maquette
subsonique supersonique
ligne sonique
0M
1002,1009,1021,1038,1A/A195,09,085,08,0M
c
loi des aires minimum très plat près de M = 1
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie transsonique
transsonique
ε+= 1M0
Interactions avec les parois en bas supersonique
les réflexions sur les parois retombent sur la maquette
inclinaison des perturbations °≈
≅α 90
M1sinArc
0
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie transsonique
solutionsle déblocage de l'écoulement est assuré en agissant sur les parois(haute et basse) de la veine augmenter le débit passant auniveau de la maquette pour éviter la formation d'un col sonique
parois perforées comportant des trous d'aspiration
parois à fentes (même action)
parois adaptables leur forme est ajustéepour reproduire la ligne de courant de l'écoulementen atmosphère infinie
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie transsonique Parois ventilés (perforées ou à fentes) - 1950
modélisation difficile des conditions aux limites
principe : une partie du débit de la soufflerie contourne la veine d'essai
suppression du blocage sonique au niveau de la maquette
reconstitution naturelle des lignes de courant
inconvénients corrections résiduelles à effectuer
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie transsonique Parois adaptables
principe donner aux parois une forme telle qu'elles soientdes lignes de courant pour un écoulement tendant vers un étatuniforme à l'infini
écoulement intérieur : essai
aux paroispression mesurée = pression calculée
écoulement extérieur : calcul
potentiel , Euler
processus itératif
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie transsonique à parois adaptables
veine à parois adaptables de la soufflerie S3Ch de l'Onera-Meudon
verins
parois déformable mm800≈
capteurs de déplacement
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie transsonique Parois adaptables
soufflerie T2 de l'Onera - Centre de Toulouse
paroi déformable en inox maquette support articulation
vérins + capteurs de déplacement
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie transsonique
Parois adaptables en trois - dimensions
veine ventilée de l'AEDC (Tullahoma, USA)
une ventilation locale adaptée est appliquée dans des cavités
section : 0,76 m x 0,80 m, longueur : 2,20 mparois rigides pleines, perforées ou auto-adaptablesparois latérales équipées de hublots
nombre de Mach : 0,6 < M < 1,35pression génératrice : pression atmosphérique
température génératrice : 290 K < Ti0 < 330 K
Soufflerie transsonique
Caractéristiques d'une soufflerie transsonique typique :la soufflerie S3Ch du Centre de Meudon
installation continue à retour
veine guidée à parois interchangeables
Souffleries aérodynamiques
diamètre 3m diamètre 2m
section 4,2×4,2m2
section 0,8×0,8m2
24 mètres
5 mètres
ventilateur àpas variable
Moteur3500 W
réfrigérant
veine d'essais
collecteur diffuseur
Soufflerie transsonique
La soufflerie S3Ch du Centre Onera de Meudon
filtres
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie transsonique
Veine de la soufflerie S3Ch avec maquette motorisée d'aile d'A340
montage entre parois
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie transsonique
balance pourmesure dela traînée
profil d'aile
Veine de la soufflerie S3Ch avec maquette de profil supercritique
paroi latérale gauche démontée
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie transsonique
Veine de la soufflerie S3Ch avec maquette d'arrière-corpsd'avion de combat et simulation du jet du réacteur
mât support et alimentation du jet arrière-corps
tuyère propulsive
support de sondes
sondes
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie transsonique
Une très grande soufflerie transsonique : la soufflerie S1MAdu Centre Onera de Modane-Avrieux (Haute-Savoie)
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie transsonique
Ventilateur de la soufflerie S1MA
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie transsonique
Soufflerie S1MA : un des coins avec ses aubages redresseursdu circuit de l'installation
eh moi ! eh moi !
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie transsonique
Maquette d'Airbus A340 dans la veine de la soufflerie S1MA
montage sur dard arrière
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie transsonique
Essai de largage de charge dans la soufflerie S1MA : tir d'unmissile Apache sous Mirage 2000
Souffleries aérodynamiques
Comment restituer le nombre de Reynolds sur desmaquettes à échelle réduite ?
∞
∞∞
µρ
=LV
R
augmenter la masse volumique∞
∞∞ =ρ
Trp
augmenter la pression soufflerie pressurisée
entraîne aussi une augmentation de la pression dynamique
22 Mp2
V21
q ∞∞∞∞∞γ
=ρ=
donc des efforts aérodynamiques sur la maquette
problèmes de tenue mécanique, risques de déformationil y a une limite à l'augmentation de la pression
Souffleries aérodynamiques
Comment restituer le nombre de Reynolds sur desmaquettes à échelle réduite ?
entraîne aussi une diminution de la viscosité de l'air
la pression dynamique ne dépend pas de la température
augmenter la masse volumique∞
∞∞ =ρ
Trp
les efforts aérodynamiques sont constants
diminuer la température soufflerie cryogénique
on gagne sur deux tableaux
22 Mp2
V21
q ∞∞∞∞∞γ
=ρ=
4,110TT 2/3
+∝µ∞
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie transsonique cryogénique
nombre de Reynolds
efforts
température, K
valeurs relativement àla température ambiante
puissance
Souffleries aérodynamiques
origine : soufflerie ETW - Cologne
Soufflerie transsonique cryogénique
European Transonic Wind tunnel (ETW) à Cologne
compresseur
injection LN2
veine d'essais
veine d'essais : 2,4 m × 2m pression : 1,25 à 4,5 bars
nombre de Mach : 0,15 à 1,3 température : 90 à 313 K
nombre de Reynolds max. : 230 × 106 /m
Souffleries aérodynamiques
n
Soufflerie transsonique cryogénique ETW
Enveloppe nombre de Mach - nombre de Reynolds
Full Models
Half Models
90
80
70
0
60
10
20
30
40
50
Cruise Range ofcurrent and futureTransport Aircraft
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
Take-offandLanding
Mach Number
Other EuropeanWind Tunnels
nombredeReynolds
610−×
(1/2 cordemoyenne)
origine : soufflerie ETW - Cologne
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie transsonique cryogénique
European Transonic Wind tunnel (ETW) à Cologne
montage sur dard arrière
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie transsoniquecryogénique
European Transonic Windtunnel (ETW) à Cologne.
Veine d'essai vue de l'aval
parois à fentes
Souffleries aérodynamiques
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie supersonique
Soufflerie S5Ch du Centre Onera de Meudon
( ) 0A
dAM1
VdV 2 =+−
la vitesse augmente quand la section diminue
la vitesse augmente quand la section augmente
la section est stationnaire : existence d'un col
Soufflerie supersonique
Souffleries aérodynamiques
théorème d'Hugoniot et tuyère convergente - divergente
relation entre variation de section etvariation de vitesse dans un conduit
1M> écoulement supersonique 0dAdV >
1M = 0dA=écoulement sonique
1M< 0dAdV
<écoulement subsonique
Théorème d'Hugoniot : conséquences
écoulement supersoniqueécoulement subsonique
écoulement subsonique-supersonique avec passage par un col
0dA< 0dA<0dM> 0dM>
0dA>0dM< 0dM<0dA>
0dA<0dM>
0dA>0dM>1M=
0dA=
Soufflerie supersonique
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie supersonique
Souffleries aérodynamiques
contour d'une tuyère plane donnant un écoulement à Mach 2
l'obtention d'un écoulement supersonique n'est possible que dansun tuyère convergente - divergente
le contour de la tuyère peut être calculé pour fournir un écoulementuniforme de nombre de Mach voulu
la tuyère peut être bidimensionnelle plane ou de révolution
Tuyère Mach 2 de la soufflerie S5Ch du Centre Onera de Meudon
Soufflerie supersonique
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie supersonique
Caractéristiques d'une soufflerie supersonique typique :la soufflerie S5Ch du Centre Onera de Meudon
installation continue à retour
section de veine : 0,3 X 0,3 m² (en tuyère complète)
pression génératrice : 20 000 Pa <pi0 <90 000 Pa
température génératrice : 290 K <Ti0 <310 K
nombre de Mach : 1,2 < M < 3,1 (6 jeux de 2 blocstuyères interchangeables)
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie supersonique
La soufflerie S5Ch du Centre Onera de Meudon
banc d'essai turbine
compresseur axial12 étages (rapport : 5,6)
moteur 1400kW
échangeur thermique
veined'essais
dérivation by-pass
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie supersonique
Soufflerie S5Ch du Centre de Meudon. Montage en demi-tuyère
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie supersonique
Maquette de la prise d'air du Concorde dans la soufflerie S5Ch
Souffleries aérodynamiques
Souffleries aérodynamiques
Souffleries hypersoniques
Soufflerie R5Ch Mach 10 basse pression du Centre Onera de Meudon
Soufflerie hypersonique
objectif
produire des écoulements à grande vitesse (6 km/s et plus) etgrand nombre de Mach (de 5 à 25) pour étudier les véhiculeshypersoniques et la rentrée dans l'atmosphère
deux catégories de souffleries hypersoniques
souffleries froides : on simule le nombre de Mach mais pas lesvitesses élevées de la réalité
souffleries chaudes : on simule le nombre de Mach et lesvitesses élevées
( ) i0i0 h2hh2V ≈−=
s/m0006V0 = kg/J1018h 6i ×≈ K0008Ti ≈
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie hypersonique
soufflerie hypersonique froide
problèmes techniquesréaliser les rapports de pression amont/aval suffisants pouramorcer et entretenir l'écoulement
éviter la liquéfaction de l'air en cours de détente dans la tuyère
solutionalimentation en air comprimé haute pression
chauffage de l'air avant détente (1100 K pour Mach 10)
au moins 350 pour Mach 10
pour Mach 10 Tveine = 14K si Tgénératrice = 300 K
souffleries à rafales ou intermittentes (durée de 10 s à 60 s)
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie hypersonique
Aménagement général d'une soufflerie hypersonique à rafales
alimentationhaute pression
réchauffeur
caissonà vide
sphère à vide
tuyère
Souffleries aérodynamiques
tuyère interchangeableMach = 5, 6, 7
supportmaquette
vitresstrioscopiques
air réchauffé haute pression
pi0 = 85 barsTi0 = 750 K
La soufflerie R2Ch du Centre Onera de Meudon
diffuseur sphèreà vide
caissond'essai
Soufflerie hypersonique
filtre
maquette
Souffleries aérodynamiques
La soufflerie R2Ch du Centre Onera de Meudon
Soufflerie hypersonique
tuyère
caisson
alimentationhaute pression
Souffleries aérodynamiques
La soufflerie R3Ch à Mach 10 du Centre Onera de Meudon
Soufflerie hypersonique
réchauffeur électriqueà effet Joule
pi0 = 170 barsTi0 = 1100 K
tuyère
sphère àvide
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie hypersonique
Maquette dans la veine de la soufflerie R3Ch du Centre de Meudon
sortie dela tuyère
entrée dudiffuseur
maquettesupport de lamaquette
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie R5Ch Mach 10 basse pression du Centre Onera de Meudon
Soufflerie hypersonique
Souffleries aérodynamiques
soufflerie R5Ch Mach 10
Soufflerie hypersonique
visualisation par fluorescence excitée par faisceaud'électrons (FFE) de l'écoulement autour du Mars Pathfinder
dard support de maquette
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie hypersonique hyperenthalpique objectif
produire un écoulement à grand nombre de Mach (15 à 20),pression génératrice élevée (2000 bar) et vitesse élevée (6000 m/s) enthalpie spécifique génératrice élevée (15 MJoule/kg)
solutionsoufflerie à arc un volume de gaz contenu dans une chambrefermée est chauffé et comprimé par passage d'un arc électrique
Principe de la soufflerie à arc F4 du Centre Onera du Fauga-Mauzac
chambre à arcbouchon pyrotechnique
tuyère durée de rafale ∼ 100 ms
Souffleries aérodynamiques
Circuit aérodynamique de la soufflerie F4 du Centre du Fauga-Mauzac
Soufflerie hypersonique hyperenthalpique
tuyèrediffuseurchambre à arc
réservoir à vide
pompes à videveine d'essais
strioscopie
section longitudinale
section transversale
Souffleries aérodynamiques
Soufflerie F4 du Centre Onera du Fauga-Mauzac
Soufflerie hypersonique hyperenthalpique
chambre à arc caisson d'essais
réservoir à vide
tube strioscopie
tube strioscopie
réservoir d'air oud'azote
Souffleries aérodynamiques
Moyens d'essai
Tunnel hydrodynamique
Tunnel hydrodynamique
Réalise un courant d'eau à faible vitesse pour des études surla structure des écoulements au moyen de visualisations.Aussi utilisé pour des mesures (PIV, LDV). Très employé enhydrodynamique navale
Deux modes de fonctionnement
courant d'eau entraîné par une pompe : fonctionne commeune soufflerie à retour
l'eau s'écoule sous l'effet de la gravité : vidage d'unecuve avec re-remplissage ou non
Moyens d'essai
Tunnel hydrodynamique à gravité
réserve d'eau
veine d'essai évacuation
Tunnel TH2 de l'Onera
Moyens d'essai
Tunnel hydrodynamique
Visualisation par bulles d'air du champ au-dessus d'une maquettedu Concorde (vue de l'arrière)
Moyens d'essai
Tunnel hydrodynamique
Visualisation par filets colorés du champ au-dessus d'une aile delta
Moyens d'essai
Tunnel hydrodynamique à recirculation
Tunnel Thalès de l'Onera - Centre de Toulouse
diffuseur
tranquillisation
convergentveine d'essais
divergent
pompe
10510
3100
600
dimensions en mm
évacuation
Moyens d'essai
Tunnel hydrodynamique à recirculation
Tunnel Thalès de l'Onera - Centre de Toulouse
Moyens d'essai
Tunnel hydrodynamique à recirculation
tunnel Thalès de l'Onera - Centre de Toulouse
veine d'essaisdemi-aile rectangulaireNACA 0015
tapis roulant plancheraspiration de la
couche limite
simulation de l'effet de sol à l'atterrissage
Moyens d'essai
Moyens d'essai
Banc moteur fusée
Banc d'essai pour moteur de lanceur au point fixe
Moteur Vulcain dulanceur Ariane 5
DLR - Centre deLampoldhausen
ergols : LH2 +LO2
échappementturbo pompes
Moyens d'essai
Banc d'essai pour moteur de lanceur au point fixe
disque de Mach dans lejet du moteur Vulcain
document Snecma - Moteurs fusées
Moyens d'essai
Banc d'essai pour moteur de lanceur au point fixe
Moteur RS68Boeing - Rocketdyne
ergols : LH2 +LO2
Moyens d'essai
Banc d'essai pour moteur de lanceur au point fixe
Moteur RS68Boeing - Rocketdyneen essai
disque de Mach
ergols : LH2 +LO2
Moyens d'essai
Dassault-Aviation Rafale
MOYENS D'ESSAI ET
SOUFFLERIES AÉRODYNAMIQUES
FIN DU COURS
Association Aéronautique et Astronautique de France
Commission Aérodynamique
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