Lorsqu’un objet se déplace dans un fluide, ou qu’un fluide passe devant un objet,les molécules du fluide près de l’objet sont perturbées et se déplacent autour de l’objet.Des forces aérodynamiques sont générées entre le fluide et l’objet. L’ampleur de ces forces dépend de la forme de l’objet, de la vitesse de l’objet, de la masse du fluide passant devant l’objet et de deux autres propriétés importantes du fluide : la viscosité, ou l’adhérence, et la compressibilité, ou l’élasticité, du fluide. Pour modéliser correctement ces effets, les ingénieurs aérospatiaux utilisent des paramètres de similitude, qui sont des rapports entre ces effets et les autres forces présentes dans le problème. Si deux expériences ont les mêmes valeurs pour les paramètres de similarité, alors l’importance relative des forces est correctement modélisée.
Les forces aérodynamiques dépendent d’une manière complexe de la viscosité dufluide. Lorsque le fluide passe devant l’objet, les molécules juste à côté de la surface adhèrent à la surface. Les molécules situées juste au-dessus de la surface sont ralenties par leurs collisions avec les molécules collées à la surface, qui à leur tour ralentissent le flux situé juste au-dessus d’elles. Plus on s’éloigne de la surface, moins les collisions sont affectées par la surface de l’objet. Cela crée une fine couche de fluide près de la surface dans laquelle la vitesse passe de zéro à la surface à la valeur du flux libre en s’éloignant de la surface. Les ingénieurs appellent cette couche la couche limite parce qu’elle se produit sur la limite du fluide.
Les détails de l’écoulement dans la couche limite sont très importants pour de nombreux problèmes en aérodynamique, y compris le décrochage de l’aile, le frottement de peau sur un objet, et le transfert de chaleur qui se produit dans le vol à grande vitesse.Malheureusement, les détails physiques et mathématiques de la théorie de la couche limite sont au-delà de la portée de ce guide du débutant et sont généralement étudiés à la fin du premier cycle ou à l’école supérieure. Nous ne présenterons que certains des effets de la couche limite pour le moment.
Sur la diapositive, nous montrons la variation de la vitesse dans le sens du courant, du courant libre à la surface. En réalité, les effets sont tridimensionnels. A partir de la conservation de la masse en trois dimensions, un changement de vitesse dans le sens du courant entraîne un changement de vitesse dans les autres directions également. Il existe une petite composante de vitesse perpendiculaire à la surface qui déplace ou fait bouger l’écoulement au-dessus de celle-ci. On peut définir l’épaisseur de la couche limite comme étant la quantité de ce déplacement. L’épaisseur du déplacement dépend du nombre de Reynolds qui est le rapport entre les forces inertielles (résistantes au changement ou au mouvement) et les forces visqueuses (lourdes et collantes) et est donné par l’équation : Le nombre de Reynolds (Re) est égal à la vitesse (V) fois la densité (r) fois une longueur caractéristique (l) divisée par le coefficient de viscosité (mu).
Re = V * r * l / mu
Les couches limites peuvent être soit laminaires (en couches), soit turbulentes (désordonnées)selon la valeur du nombre de Reynolds.Pour les nombres de Reynolds inférieurs, la couche limite est laminaire et la vitesse dans le sens du courant change uniformément à mesure que l’on s’éloigne de la paroi, comme le montre la partie gauche de la figure.Pour des nombres de Reynolds plus élevés, la couche limite est turbulente et la vitesse dans le sens du courant est caractérisée par des écoulements tourbillonnants instables (qui changent avec le temps) à l’intérieur de la couche limite.L’écoulement externe réagit au bord de la couche limite comme il le ferait à la surface physique d’un objet.Ainsi, la couche limite donne à tout objet une forme « effective » qui est généralement légèrement différente de la forme physique.Pour rendre les choses plus confuses, la couche limite peut se soulever ou se « séparer » du corps et créer une forme effective très différente de la forme physique. Cela se produit parce que l’écoulement dans la couche limite a une très faible énergie (par rapport au flux libre) et est plus facilement entraîné par les changements de pression. La séparation de l’écoulement est la raison du décrochage de l’aile à un angle d’attaque élevé.Les effets de la couche limite sur la portance sont contenus dans le coefficient de portance et les effets sur la traînée sont contenus dans le coefficient de traînée.
NOTE HISTORIQUE : La théorie qui décrit les effets de la couche limite a été présentée pour la première fois par Ludwig Prandtl au début des années 1900. Les équations générales des fluides étaient connues depuis de nombreuses années, mais les solutions de ces équations ne décrivaient pas correctement les effets d’écoulement observés (comme les décrochages d’ailes). Prandtl a été le premier à se rendre compte que l’importance relative des forces d’inertie et visqueuses changeait entre une couche très proche de la surface et une région éloignée de la surface. Il a d’abord proposé la solution à deux couches couplées interactivement qui modélise correctement de nombreux problèmes d’écoulement.
Activités:
Visites guidées
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