Quand un oiseau en vol atterrit, il effectue un phénomène complexe connu sous le nom de décrochage dynamique. Des chercheurs de l'Université de l'Illinois se sont penchés sur la physique du décrochage dynamique afin qu'il puisse être utilisé de manière bénéfique et fiable par les avions. Crédits :Pixabay CC0
Quand un oiseau en vol atterrit, il effectue une manœuvre de cabré rapide pendant le processus de perchage pour éviter de dépasser la branche ou le fil téléphonique. En aérodynamique, cette action produit un phénomène complexe connu sous le nom de décrochage dynamique. Bien que de nombreux aéronefs à voilure fixe puissent résister à des manœuvres à cabrer rapides similaires, un véhicule soumis à ce processus de décrochage dynamique n'est pas contrôlable de manière fiable. Motivé par le manque de compréhension détaillée, Des chercheurs de l'Université de l'Illinois se sont penchés sur la physique du décrochage dynamique afin qu'il puisse être utilisé de manière bénéfique et fiable par les avions.
"Il y a des structures d'écoulement de turbulence complexes en jeu. Nous savons qu'un grand vortex se forme au bord d'attaque de l'aile et conduit à de très grandes augmentations de la portance ainsi qu'à des augmentations de la traînée. Après que le vortex de décrochage dynamique quitte le voisinage de l'aile , il y a une très forte baisse de portance ainsi que des augmentations de traînée et nous nous retrouvons avec un champ d'écoulement très difficile à contrôler, " a déclaré Phillip Ansell, professeur adjoint au Département de génie aérospatial du Collège d'ingénierie de l'U of I.
Ansell a déclaré que le problème a été étudié à basse vitesse, également connu sous le nom de faibles nombres de Reynolds. Les nombres de Reynolds font référence à la relation entre la vitesse à laquelle l'aile va, la taille de l'aile, et la viscosité du flux d'air qui l'entoure. Dans cette étude, lui et son étudiant diplômé Rohit Gupta ont examiné des vitesses plus élevées, toujours subsonique, mais un ordre de grandeur supérieur à la vitesse de vol des oiseaux ou des insectes. À des vitesses plus élevées, le processus devient considérablement désorganisé et difficile à comprendre.
Une composante de l'étude impliquait des expériences en soufflerie utilisant un profil aérodynamique, qui est une section transversale de l'aile. La forme du profil aérodynamique a été étirée d'un mur à l'autre de la soufflerie.
"Le moteur est utilisé dans les essais en soufflerie pour produire un mouvement de cabré très rapide du profil aérodynamique. Nous avons mesuré la pression avec des transducteurs à haute fréquence à travers la surface. À partir de cela, nous avons caractérisé certains des détails très fins des oscillations de pression qui se produire au cours de ce processus très instable, " a déclaré Ansell. " Nous avons également utilisé un système laser et caméra à grande vitesse pour mesurer la vitesse du flux afin d'obtenir la carte complète des mesures sur toute la surface et la façon dont le flux évolue au fil du temps. "
Visualisation de tourbillons à petite échelle dans le champ d'écoulement de la voilure, démontrant le rôle de ces structures dans la formation du tourbillon dynamique de décrochage. Crédit :Université de l'Illinois à Urbana-Champaign
Ansell a déclaré que l'un des points focaux de cette étude était de comprendre la fluctuation turbulente du flux d'air, la fréquence de cette fluctuation, et l'échelle spatiale et la taille de ces fluctuations.
"Nous avons observé que les structures dynamiques de vortex de décrochage que nous voyons à basse vitesse, on ne voit pas de la même façon à grande vitesse. Dans le vortex à des vitesses plus élevées, il existe à la place de minuscules structures d'écoulement. Le vortex est parsemé de caractéristiques à plus petite échelle dans le flux. Ce vortex classique ne se comporte donc pas comme une structure géante. Il est en fait composé de petits tourbillons instantanés à petite échelle agissant collectivement pour se comporter comme à plus grande échelle. C'est une partie de la physique que nous essayons toujours de comprendre."
Selon Ansell, l'objectif est de tester des nombres de Reynolds jusqu'à un million pour savoir à quel moment les caractéristiques de vortex à grande échelle commencent à se comporter dans les minuscules vortex multiples. En comparaison, un 737 fonctionne à environ 20 millions.
En comprenant la physique de ce qui se passe dans le flux, Ansell a déclaré qu'ils peuvent rechercher des moyens d'interagir avec et de contrôler afin d'obtenir les caractéristiques souhaitables à plus grande échelle et de les utiliser de manière bénéfique.
Une application pourrait être d'atterrir un aéronef sur une piste d'atterrissage plus courte.
"J'ai besoin de savoir quand ce vortex va se former et obtenir cette portance accrue, puis que cela persiste d'une manière ou d'une autre à la surface pour me donner une capacité de portance plus élevée, dire, atterrir sur un porte-avions. Dans d'autres cas, je souhaiterais peut-être empêcher la formation du vortex, et il existe des moyens d'utiliser l'actionnement pour interagir avec le flux et empêcher l'émergence du vortex et le processus de décrochage dynamique de se produire, " a déclaré Ansell.
L'étude, "Physique des écoulements instables du décrochage dynamique de la voilure, " a été écrit par Rohit Gupta et Phillip Ansell. Il apparaît dans le Journal de l'AIAA .
