Profil aérodynamique

Rationalise autour d’un profil aérodynamique NACA 0012 à angle d’attaque modéré
Courbes de portance et de traînée pour un profil aérodynamique typique

Les ailes, les stabilisateurs horizontaux et verticaux d’un avion à voilure fixe sont construits avec des sections transversales en forme de profil aérodynamique, tout comme les pales de rotor d’hélicoptère. Les profils aérodynamiques se trouvent également dans les hélices, les ventilateurs, les compresseurs et les turbines. Les voiles sont également des voiliers, et les surfaces sous-marines des voiliers, telles que la planche centrale et la quille, sont de section similaire et fonctionnent selon les mêmes principes que les voiliers. Les créatures nageuses et volantes et même de nombreuses plantes et organismes sessiles utilisent des ailes / hydroptères: des exemples courants sont les ailes d’oiseaux, les corps de poissons et la forme de dollars de sable. Une aile en forme de profil aérodynamique peut créer une force d’appui sur une automobile ou un autre véhicule à moteur, améliorant ainsi la traction.

Lorsque le vent est obstrué par un objet tel qu’une plaque plate, un bâtiment ou le tablier d’un pont, l’objet subit une traînée ainsi qu’une force aérodynamique perpendiculaire au vent. Cela ne signifie pas que l’objet est qualifié de profil aérodynamique. Les profils aérodynamiques sont des formes de levage très efficaces, capables de générer plus de portance que les plaques plates de taille similaire de la même zone et capables de générer une portance avec beaucoup moins de traînée. Les pales peuvent être utilisées dans la conception d’aéronefs, d’hélices, de pales de rotor, d’éoliennes et d’autres applications de l’ingénierie aéronautique.

Une courbe de portance et de traînée obtenue lors des essais en soufflerie est représentée à droite. La courbe représente un profil aérodynamique avec un carrossage positif, de sorte qu’une certaine portance est produite à un angle d’attaque nul. Avec un angle d’attaque accru, la portance augmente selon une relation à peu près linéaire, appelée pente de la courbe de portance. À environ 18 degrés, ce profil aérodynamique cale et la portance tombe rapidement au-delà. La baisse de portance peut s’expliquer par l’action de la couche limite de la surface supérieure, qui se sépare et s’épaissit considérablement sur la surface supérieure au niveau de l’angle de décrochage et au-delà. L’épaisseur de déplacement de la couche limite épaissie modifie la forme effective de la pale, en particulier elle réduit son carrossage effectif, ce qui modifie le champ d’écoulement global de manière à réduire la circulation et la portance. La couche limite plus épaisse provoque également une forte augmentation de la traînée de pression, de sorte que la traînée globale augmente fortement près et au-delà du point de décrochage.

La conception du profil aérodynamique est une facette majeure de l’aérodynamique. Différents profils d’aéronef servent différents régimes de vol. Les profils asymétriques peuvent générer une portance à angle d’attaque nul, tandis qu’un profil symétrique peut mieux convenir à un vol inversé fréquent comme dans un avion de voltige. Dans la région des ailerons et près d’un bout d’aile, un profil aérodynamique symétrique peut être utilisé pour augmenter la plage d’angles d’attaque afin d’éviter le décrochage en vrille. Ainsi, une large gamme d’angles peut être utilisée sans séparation de couche limite. Les ailes subsoniques ont un bord d’attaque rond, qui est naturellement insensible à l’angle d’attaque. La section transversale n’est cependant pas strictement circulaire: le rayon de courbure est augmenté avant que l’aile n’atteigne l’épaisseur maximale pour minimiser les risques de séparation de la couche limite. Cela allonge l’aile et éloigne le point d’épaisseur maximale du bord d’attaque.

Les ailes supersoniques ont une forme beaucoup plus angulaire et peuvent avoir un bord d’attaque très tranchant, très sensible à l’angle d’attaque. Un profil aérodynamique supercritique a son épaisseur maximale proche du bord d’attaque pour avoir beaucoup de longueur pour choquer lentement le flux supersonique à des vitesses subsoniques. Généralement, de tels profils aérodynamiques transsoniques ainsi que les profils aérodynamiques supersoniques ont un faible carrossage pour réduire la divergence de traînée. Les ailes d’avion modernes peuvent avoir différentes sections de profil aérodynamique le long de l’envergure de l’aile, chacune optimisée pour les conditions de chaque section de l’aile.

Des dispositifs mobiles de portance élevée, des volets et parfois des lamelles, sont montés sur les ailes de presque tous les avions. Un volet de bord de fuite agit de la même manière qu’un aileron; cependant, il peut, par opposition à un aileron, être rétracté partiellement dans l’aile s’il n’est pas utilisé.

Une aile à flux laminaire a une épaisseur maximale dans la ligne de cambrure moyenne. L’analyse des équations de Navier–Stokes en régime linéaire montre qu’un gradient de pression négatif le long de l’écoulement a le même effet que la réduction de la vitesse. Ainsi, avec la cambrure maximale au milieu, il est possible de maintenir un écoulement laminaire sur un pourcentage plus élevé de l’aile à une vitesse de croisière plus élevée. Cependant, une certaine contamination de surface perturbera l’écoulement laminaire, le rendant turbulent. Par exemple, avec de la pluie sur l’aile, le flux sera turbulent. Dans certaines conditions, les débris d’insectes sur l’aile entraîneront également la perte de petites régions d’écoulement laminaire. Avant les recherches de la NASA dans les années 1970 et 1980, la communauté de la conception d’avions comprenait à partir des tentatives d’application à l’ère de la Seconde Guerre mondiale que les conceptions d’ailes à flux laminaire n’étaient pas pratiques en utilisant des tolérances de fabrication communes et des imperfections de surface. Cette croyance a changé après que de nouvelles méthodes de fabrication ont été développées avec des matériaux composites (par exemple, des ailes à flux laminaire développées par F. X. Wortmann pour une utilisation avec des ailes en plastique renforcé de fibres). Des méthodes de métal usiné ont également été introduites. Les recherches de la NASA dans les années 1980 ont révélé la praticité et l’utilité des conceptions d’ailes à flux laminaire et ont ouvert la voie à des applications à flux laminaire sur des surfaces d’avions pratiques modernes, des avions d’aviation générale subsoniques aux gros avions de transport transsoniques, en passant par les conceptions supersoniques.

Des schémas ont été conçus pour définir les profils aérodynamiques – un exemple est le système NACA. Divers systèmes de génération de profil aérodynamique sont également utilisés. Un exemple de profil aérodynamique à usage général qui trouve une large application et qui précède le système NACA est le Clark-Y. Aujourd’hui, les ailes peuvent être conçues pour des fonctions spécifiques à l’aide de programmes informatiques.

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