Utilisateur:Bernard de Go Mars/Brouillon2
Avant les souffleries modifier
Au 18ème siècle, Pierre du Buat, en mesurant les pressions locales sur des plaques ou des corps prismatiques immergés dans un courant d’eau fit la découverte de la dépression de culot de ces corps (voir cette image). Otto Lilienthal effectua de nombreux essais de surfaces fixes exposées au vent. Il tira de ces essais éoliens (très simples dans leur méthode) des valeurs pratiques pour la construction de ses planeurs, valeurs dont découle toute l’aviation contemporaine.[1]. Des remorquages de navires avaient également été utilisés par Froude pour mesurer leur traînée.
La mise en mouvement, sur véhicule, de corps ou surfaces dans un air calme était aussi utilisée par des institutions ou personnes française (images de gauche).
La méthode du remorquage a été utilisée en Allemagne pour la mesure précise du Reynolds critique de la sphère (image de droite). Cette même méthode du remorquage dans un bassin d’eau calme constitue également la Méthode d’essais en bassin de carène (voir cette image.).
Si les essais éoliens quantitatifs (mesures de traînée d’un corps, par exemple) nécessitent la connaissance de la vitesse instantanée du vent (celui-ci étant très variable dans la nature), les essais éoliens qualitatifs sont plus facilement praticables puisqu’ils ne nécessitent pas la connaissance de la vitesse du vent (voir cette image d’un test éolien indiquant la stabilité d’une grande fusée à eau.) En effet, certaines caractéristiques des corps (leur centre de portance, par exemple) ne dépendent que très faiblement de la vitesse du vent. Un autre exemple d'essais qualitatifs où la vitesse du vent est indifférente est donné ci-contre à droite).
AÉRODYNAMIQUE DES AUTOCARS modifier
(tous les commentaires ci-dessous sont basés sur un écoulement d’air purement axial autour des autocars (sans angle de lacet), ainsi que sur des dispositifs passifs de contrôle de l'écoulement.)
Les autocars ou bus routiers tiennent des bus urbains en ceci que, comme eux, ils ont une forme de boîte (plus exactement de parallélépipède rectangle) forme imposée par l'embarquement du maximum de passagers[2]. Cependant cette forme de boîte induit, au franchissement des arêtes de la face avant (lorsqu'elles sont vives), un décollement inertiel de l'écoulement qui forme des tourbillons (ou poches d'eau morte), lesquels augmentent sensiblement la traînée aérodynamique[3]. On peut voir ce décollement inertiel sur les cylindres ou barreaux carrés exposés axialement à l'écoulement (image ci-contre) et l'intégrer intuitivement comme augmentant notablement la surface frontale du corps et donc sa traînée.
Si cette augmentation de traînée reste acceptable pour les bus de ville dont la vitesse est faible, il n'en est pas de même pour les autocars pour lesquels le poste aérodynamique devient important en ce qui concerne la consommation (du fait de leur vitesse supérieure)[4],[5].
En ce qui concerne la traînée axiale des barreaux cylindriques (et spécialement le Cx de la tête plate à arête plus ou moins arrondie) voir les images ci-contre à gauche et à droite.
Formes de l’avant modifier
Un des postes importants de la traînée des autocars peut donc être la traînée de leur face avant. L’image ci-contre indique bien qu’une face avant à angle vif présente un Cx de 0,88, du fait de l’existence de poches d’eau morte immédiatement en aval de la face avant, ainsi qu’il est constaté sur un cylindre ou un barreau de section carrée exposé axialement, comme dit plus haut.
Par contre, si l’on arrondit les deux angles latéraux et l’angle du toit de l’autocar, on voit son Cx descendre à 0,36. Ces arrondis préviennent donc tout décollement inertiel au passage de ces arêtes de la face avant.
Assez contre intuitivement, cependant, l’inclinaison de la face avant (avec arrondi du dernier angle) ne baisse pas significativement ce Cx.[5] ,[6],[7]
Formes de l’arrière modifier
L’arrière des autocars (leur ‘‘culot’’) est évidemment le lieu d’une dépression (laquelle s’applique sur une très large surface)[8],[9]. Lorsque l’avant est correctement caréné (par des arrondis), cette traînée de culot est donc un poste conséquent dans la traînée totale (Cx total évalué à 0,36 dans l’image ci-dessus).
Le graphe ci-contre montre qu'un allongement de l'arrière ainsi qu'une diminution progressive de sa largeur et de sa hauteur ne résulterait qu'en un gain assez faible en Cx, surtout si l'on songe à l'augmentation du poids et de l'encombrement de l'autocar qui en résulterait. Commentant les travaux de Carr (1967), MASON et BEEBE écrivent d'ailleurs : "ces travaux basiques indiquent qu'il y a peu d'avantages à espérer d'un profilage supplémentaire des autocars dès lors que sont adoptés les arrondis des arêtes avant qui préviennent la séparation de l'écoulement lors de leur franchissement."[9]
Cependant, l'installation d'une cavité déployable de quelques 30 centimètres de profondeur au culot d'un bus à l'aérodynamique vertueuse pourrait encore réduire son Cx de 8% (réduction de Cx de culot de 0,03, la dépression de culot passant de -0,20 à -0,16).[9]
En ce qui concerne l'avenir, l’ouvrage AERODYNAMICS OF ROAD VEHICLES[5] écrit également, p. 332 : "Peut-être les approches des années 30 avec des arrières élastiques -peut-être extensibles et gonflable[10] uniquement à hautes vitesses et s'escamotant à basses vitesses pour le trafic en ville)- devraient-elles être reconsidérées."
Cx atteignable par les autocars modifier
Mason and Beebe estiment, p. 80 de leur contribution[9], que le Cx 0,4 atteignable actuellement par les autocars se décomposerait en 0,12 (face avant), 0,10 (dessous de caisse), 0,03 (friction des faces latérales et du toit) et 0,15 (traînée de culot)[11]. Ils ajoutent néanmoins qu'une nouvelle génération d'autocar pourrait atteindre un Cx de 0,35 (par lissage du dessus de caisse et travail de la face arrière de l'autocar).
Dans ce qui suit, je recense les différentes formes d'empennages ou de dérives:
Les différentes formes de dérives ou d'empennages modifier
Le nécessité de stabiliser les projectiles ou armes de jet (tels que flèches d'arc ou lances) est apparue très tôt aux premiers hommes ; en effet une flèche, par exemple, ne peut produire des effets létaux ou vulnéraires que si elle frappe sa cible pointe en avant . La solution que les chasseurs-cueilleurs ont trouvée tout autour du monde est l'empennage.
Bien que leurs armes de jet étaient plus lourdes du côté de leur pointe (pointes en silex, par exemple, comme ci-contre), cela ne suffisait pas, pour des raisons aérodynamiques, à ce que cette pointe reste devant et donc frappe la cible en premier.
Stabilisation par la traînée modifier
La stabilisation des anciens cerfs volants se faisait souvent autrefois avec une queue (image ci-contre à gauche), même si cette queue suscitait beaucoup de traînée[12].
Dans le même ordre d'idées, la stabilisation par parachute est très efficace (elle permet -image ci-contre- de maintenir le bas du corps stabilisé face au sol. Comme elle produit beaucoup de traînée, elle est réservée au cas où cette traînée est favorable (ralentissement de la chute d'un corps, par exemple).
Stabilisation par empennage modifier
Bien que la stabilisation d'un aéronef (aéroplane ou dirigeable) présente des particularités par rapport à la stabilisation de la flèche d'arc[13],[14], à peu de chose près, elle peut se faire d'une façon comparable. D'ailleurs les premiers aéroplanes piloté arboraient un empennage, comme l'engin de Le Bris (image ci-contre à gauche), ainsi bien sûr que les planeurs d'Otto Lilienthal (image ci-contre).
Type d'ailerons d'empennage modifier
Le type le plus efficace est bien sûr l'aileron plan (sur le modèle de la fléchette). C'est le type d'empennage universellement adopté pour stabiliser les avions actuels, chacun des plans étant bien sûr une aile dont la section présente un profil idéal[15].
Cependant, s'agissant de la stabilisation des dirigeables, après les errements des premiers temps (stabilisation par voile du dirigeable électrique de Tissandier, par ex. ou du dirigeable à vapeur de Giffard[16]) ont été essayés également des empennages pneumatiques (gonflés), soit en corps cono-hémisphériques (image ci-contre à droite) soit en assemblage de cylindres présentés face à la route (autre image ci-contre à droite). Ces deux derniers types suscitaient beaucoup de traînée (du fait des décollements habituels à l'aval de l'hémisphère). Ce type d'empennage fut essayé sur le premier Clément-Bayard , mais fut abandonné, pour des ailerons plans, sur le Clément-Bayard n°II (image ci-contre à gauche).
À propos d'Otto : Le brevet (US pattent) déclare : "[...] un gouvernail fixe vertical r et un empennage horizontal q, adaptés pour tourner automatiquement vers le haut, sensiblement comme indiqué."
L'image ci-contre montre que Lilienthal cherchait la bonne surface de dérive afin de stabiliser suffisamment son appareil normal en lacet (pour ces essais de surface de dérive, voir |ce lien).
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- L’Aéronautique, avril 1924, https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k65675889/f25.item.r=Lilienthal.zoom]
- Le fuselage des avions, pour la même raison, est un cylindre de grande longueur, les volumes non nécessaire à la présence des passagers étant occupés par les placards à bagages à main (ou bagages cabine) et, sous le plancher, par des soutes. La forme cylindrique des fuselage d'avion est nécessaire pour la tenue à la pressurisation en altitude. Certains avions qui ne montent pas en altitude (et qui ne sont donc pas pressurisés) ont un fuselage de section rectangulaire.
- Il est facile de comprendre ce décollement inertiel : L'air qui contourne une arête vive de la face avant a trop de vitesse pour pouvoir prendre son virage vers la face latérale de l'autocar : cet air rate donc son virage et tend à continuer tout droit dans le prolongement de la face avant.
- Hucho signale que lors de trajets routiers sur le plat, la consommation de carburant causée par la traînée aérodynamique atteint presque 60% à 100 Km/h, la traînée de roulement s'élevant à plus de 40%. À 80 Km/h, ces deux traînées sont de 45 et 55% respectivement.
- AERODYNAMICS OF ROAD VEHICLES: From Fluid Mechanics to Vehicle Engineering, publié par Wolf-Heinrich Hucho, p. 326, [1]
- Hucho note que des résultats presque identiques ont été obtenus sur des modèles par Carr (The Aerodynamics of Basic Shapes for Road Vehicles, Part I, Simple Rectangular Bodies, Carr, G.W., MIRA Report No. 1982/2).
- Notons cependant que Fox et McDonald écrivent : "Les études sur les autocars routiers ont montré qu'une réduction de traînée allant jusqu'à 25% est possible par un carénage correct de la partie avant des autocars. Il est donc possible de réduire le Cx d'un autocar de 0,65 à 0,5 par un dessin correct de l'avant." Fox and McDonald's INTRODUCTION TO FLUID MECHANICS, 8th ed, P. J. Pritchard, John Wiley & Sons, Inc/
- Fletcher et Stewart estiment le Cx de la face arrière à à peu près 0,1, ce qui correspond à une coefficient de pression moyen de -0,1 (BUS DRAG REDUCTION BY THE TRAPPED VORTEX CONCEPT FOR A SINGLE BUS AND TWO BUSES IN TANDEM, FLETCHER and STEWART, [2]) mais Mason and Beebe estiment, p. 76 le Cx de la face arrière à 0,20.
- AERODYNAMIC DRAG MECHANISMS OF BLUFF BODIES AND ROAD VEHICLES, SOVRAN, MOREL and MASON, General Motors Research Laboratories, 1978 [3]
- On pense à des queues gonflables réalisées selon la technologie actuelle des parapentes.
- Tous ces Cx étant exprimés en référence à la surface frontale de l'autocar.
- La traînée d'un cerf-volant l'entraîne à l'horizontale dans le sens du vent, c.-à-d. que la corde (ou ligne) d'un cerf-volant montrant beaucoup de traînée prendra un angle plus proche de l'horizontale (il montera moins haut, à longueur de corde dévidée égale).
- La stabilisation de la fusée non pilotée par contre est très proche, dans ses principe, de la stabilisation de la flèche d'arc (voir à ce sujet l'article Stabilité aérodynamique de la fusée).
- Ausi bien pour les avions que pour les dirigeables, il faut distinguer entre la stabilisation en tangage et la stabilisation en lacet. La stabilisation en tangage est plus complexe dans la mesure ou intervient la gravité ; par contre la stabilisation en lacet (des avions et dirigeables est identique à celle de la flèche d'arc ou de la fléchette).
- Pour certains avions de tourisme, le profil utilisé peut être très proche d'un plan à épaisseur constante.
- Le défaut de la stabilisation par voile est que cette voile forme forcément une poche qui ne commence à produire de la portance latérale que pour une certaine incidence de part et d'autre de l'incidence nulle.