Qu’est-ce qu’une soufflerie ?
Une soufflerie est une installation d’essai permettant de mesurer et d’analyser les forces agissant sur une maquette fixe d’un bâtiment, d’un avion ou d’une automobile, ainsi que l’écoulement du vent autour de cette maquette. Pour ce faire, elle fait circuler de l’air autour d’elle.
L’écoulement du vent peut simuler les conditions de vol pour les avions et celles de conduite pour les voitures. En adaptant le nombre de Reynolds, il est possible d’obtenir presque les mêmes résultats expérimentaux qu’en vol ou en conduite réels. Cela même si le modèle est plus petit que l’avion réel.
Il existe des souffleries de toutes tailles : En France, L’Office national d’études et de recherches aérospatiales (Onera) en possède plusieurs dont la soufflerie sonique. Il s’agit de la plus puissance au monde au sein de laquelle se trouve plusieurs zones de test. La S1MA met à disposition un circuit de 400 mètres de long et de 24 mètres de diamètre. La veine mesure 14 mètres de long et 8 mètres de diamètre. Au Japon, l’installation d’essai de la JAXA, une soufflerie à basse vitesse, dispose d’une section de mesure de 5 à 6 mètres de long et de large où le modèle est fixé. Aux États-Unis, il existe une immense soufflerie mesurant environ 24 mètres de long et 37 mètres de large.
Utilisations des souffleries
Les souffleries sont utilisées dans un très large éventail d’utilisations, notamment pour l’utilisation de données de mesure pour les avions et les fusées. Pour ces derniers, la conception des fluides est importante. Ces souffleries sont également utilisées pour la conception d’automobiles, de chemins de fer, d’immeubles de grande hauteur et de ponts. Pour ceux-ci, la prise en compte des effets du vent est importante.
En plus des mesures de base des forces agissant sur le modèle, telles que la portance et la traînée, et la pression sur la surface du modèle, les expériences en soufflerie font également appel à la PIV (vélocimétrie par images de particules) pour visualiser l’écoulement de l’air.
Une soufflerie se compose d’une soufflerie, d’une section de buse, d’une plaque de redressement, d’une section de mesure et d’une section de diffusion. Comme il s’agit essentiellement d’un dispositif permettant de souffler du vent artificiel sur une maquette, un équipement de mesure séparé est nécessaire. Ce dernier permet de mesurer les forces et les pressions des fluides, comme c’est le cas pour la visualisation des écoulements avec la PIV, par exemple.
Principe de la soufflerie
Le principe de la soufflerie est de prédire l’écoulement réel du vent (fluide). Pour ce faire, il le mesure en transformant un grand objet à analyser en un petit modèle de forme similaire. Il le soumet ensuite au vent réel en faisant correspondre les conditions au nombre de Reynolds. Une soufflerie est une installation expérimentale qui utilise la loi de Reynolds pour mesurer ainsi qu’analyser les effets du vent ambiant sur les fluides.
En faisant correspondre le nombre de Reynolds (ReD), l’écoulement du fluide ambiant est égal lorsque la géométrie de la machine réelle et celle du modèle sont similaires. Ceci est connu sous le nom de loi de Reynolds en mécanique des fluides. Le nombre de Reynolds (ReD) peut être calculé à l’aide de l’équation suivante :
Force inertielle de la quantité de mouvement de l’ensemble du fluide (vitesse x longueur) ÷ quantité physique calculée par la viscosité cinématique (quantité sans dimension)
Par exemple, si un modèle précis d’une voiture en train de rouler est fabriqué à 1/10e de la taille de la voiture réelle, la loi de similitude de Reynolds peut être satisfaite. Cependant, pour ce faire il faut que la vitesse du vent dans la soufflerie soit fixée à 10 fois la vitesse réelle de la voiture. Toutefois, la viscosité cinématique variant avec la température, il est également important d’ajuster la température. Il faut que celle-ci corresponde à la viscosité cinématique à la vitesse réelle de la voiture et à celle de la soufflerie.
Types de souffleries
Il existe deux principaux types de souffleries :
1. La soufflerie simple
La soufflerie simple est également connue sous le nom de “soufflerie de type Eiffel”. Elle présente des avantages tels qu’une configuration simple et un espace d’installation réduit, mais des inconvénients tels que des besoins élevés en énergie pour produire du vent.
2. Le type à circulation
Le type à flux circulaire nécessite moins d’énergie pour générer la vitesse de l’air et le flux est plus stable. Toutefois, il présente l’inconvénient d’une augmentation significative de la température du flux d’air. L’équipement lui-même a également tendance à être volumineux. La soufflerie de Goettingen en est un exemple bien connu.
Autres informations sur les souffleries
Utilisation de la CFD
La technologie CFD (Computational Fluid Dynamics), qui utilise des simulations pour prédire les résultats des essais en soufflerie, a évolué rapidement ces dernières années. Bien que les souffleries soient des modèles réduits par rapport aux bancs d’essai et aux bâtiments réels, elles impliquent toujours un prototypage ainsi que des heures de travail coûteux.
La CFD, quant à elle, implique des coûts d’installation de PC et de logiciels, mais ceux d’exploitation ultérieurs peuvent être réduits par rapport aux essais en soufflerie. Cependant, pour atteindre un niveau où les données CFD seules peuvent être utilisées pour la conception sans essais en soufflerie, il est essentiel d’accumuler des données et de déterminer des paramètres détaillés. D’une certaine manière, la relation complémentaire entre la CFD et la vérification des données des essais en soufflerie améliore la précision de la conception. Elle permet aussi de réduire les coûts en heures de travail au quotidien.