OriginesEdit
L’ingénieur militaire et mathématicien anglais Benjamin Robins (1707-1751) a inventé un appareil à bras tourbillonnant pour déterminer la traînée et a fait certaines des premières expériences de la théorie de l’aviation.
Sir George Cayley (1773-1857) a également utilisé un bras tourbillonnant pour mesurer la traînée et la portance de divers profils aérodynamiques. Son bras tourbillonnant mesurait 5 pieds (1,5 m) de long et atteignait des vitesses de pointe comprises entre 10 et 20 pieds par seconde (3 à 6 m/s).
Otto Lilienthal a utilisé un bras rotatif pour mesurer avec précision des profils d’aile à angles d’attaque variables, établissant leurs diagrammes polaires de rapport portance/traînée, mais il lui manquait les notions de traînée induite et de nombre de Reynolds.
Cependant, le bras tourbillonnant ne produit pas un flux d’air fiable impactant la forme d’essai à une incidence normale. Les forces centrifuges et le fait que l’objet se déplace dans son propre sillage font que l’examen détaillé du flux d’air est difficile. Francis Herbert Wenham (1824-1908), membre du conseil de l’Aeronautical Society of Great Britain, s’est attaqué à ces problèmes en inventant, concevant et exploitant la première soufflerie fermée en 1871. Une fois cette percée réalisée, des données techniques détaillées ont pu être rapidement extraites grâce à cet outil. Wenham et son collègue John Browning sont crédités de nombreuses découvertes fondamentales, notamment la mesure des rapports l/d, et la révélation des effets bénéfiques d’un rapport d’aspect élevé.
Konstantin Tsiolkovsky a construit une soufflerie à section ouverte avec une soufflerie centrifuge en 1897, et a déterminé les coefficients de traînée des plaques plates, des cylindres et des sphères.
L’inventeur danois Poul la Cour a appliqué des souffleries dans son processus de développement et de perfectionnement de la technologie des éoliennes au début des années 1890.Carl Rickard Nyberg a utilisé une soufflerie lors de la conception de sa Flugan à partir de 1897.
Dans un ensemble classique d’expériences, l’Anglais Osborne Reynolds (1842-1912) de l’Université de Manchester a démontré que la configuration de l’écoulement de l’air au-dessus d’un modèle réduit serait la même pour le véhicule en grandeur réelle si un certain paramètre d’écoulement était le même dans les deux cas. Ce facteur, connu aujourd’hui sous le nom de nombre de Reynolds, est un paramètre de base dans la description de toutes les situations d’écoulement de fluide, y compris les formes des schémas d’écoulement, la facilité de transfert de chaleur et l’apparition de turbulences. C’est la principale justification scientifique de l’utilisation de modèles en soufflerie pour simuler des phénomènes réels. Cependant, il existe des limites aux conditions dans lesquelles la similarité dynamique est basée sur le seul nombre de Reynolds.
L’utilisation par les frères Wright d’une simple soufflerie en 1901 pour étudier les effets de l’écoulement de l’air sur diverses formes tout en développant leur Wright Flyer était en quelque sorte révolutionnaire. On peut toutefois constater, d’après ce qui précède, qu’ils utilisaient simplement la technologie acceptée à l’époque, bien que celle-ci ne soit pas encore courante en Amérique.
En France, Gustave Eiffel (1832-1923) a construit sa première soufflerie à retour ouvert en 1909, alimentée par un moteur électrique de 50 kW, au Champs-de-Mars, près du pied de la tour qui porte son nom.
Entre 1909 et 1912, Eiffel a effectué environ 4 000 essais dans sa soufflerie, et son expérimentation systématique a établi de nouvelles normes pour la recherche aéronautique.En 1912, le laboratoire d’Eiffel a été déplacé à Auteuil, en banlieue de Paris, où sa soufflerie avec une section d’essai de deux mètres est toujours opérationnelle aujourd’hui. Eiffel a considérablement amélioré l’efficacité de la soufflerie à retour ouvert en enfermant la section d’essai dans une chambre, en concevant une entrée évasée avec un redresseur d’écoulement en nid d’abeille et en ajoutant un diffuseur entre la section d’essai et le ventilateur situé à l’extrémité aval du diffuseur ; cet arrangement a été suivi par un certain nombre de souffleries construites par la suite ; en fait, la soufflerie à retour ouvert à faible vitesse est souvent appelée soufflerie de type Eiffel.
Utilisation généraliséeEdit
L’utilisation ultérieure des souffleries a proliféré à mesure que la science de l’aérodynamique et la discipline de l’ingénierie aéronautique étaient établies et que le voyage et la puissance aériens se développaient.
La marine américaine a construit en 1916 l’une des plus grandes souffleries du monde à l’époque, au chantier naval de Washington. L’entrée faisait près de 11 pieds (3,4 m) de diamètre et la partie de décharge faisait 7 pieds (2,1 m) de diamètre. Un moteur électrique de 500 ch entraînait les pales du ventilateur de type à pales.
En 1931, la NACA a construit une soufflerie grandeur nature de 30 pieds sur 60 pieds au centre de recherche de Langley, en Virginie. Le tunnel était alimenté par une paire de ventilateurs entraînés par des moteurs électriques de 4 000 hp. La configuration était un format à double retour, en boucle fermée, et pouvait accueillir de nombreux avions réels de taille normale ainsi que des modèles réduits. Le tunnel a finalement été fermé et, même s’il a été déclaré monument historique national en 1995, sa démolition a commencé en 2010.
Jusqu’à la Seconde Guerre mondiale, la plus grande soufflerie du monde, construite en 1932-1934, était située dans une banlieue de Paris, à Chalais-Meudon, en France. Elle était conçue pour tester des avions de taille normale et disposait de six grands ventilateurs actionnés par des moteurs électriques puissants. La soufflerie de Chalais-Meudon a été utilisée par l’ONERA sous le nom de S1Ch jusqu’en 1976 pour le développement, entre autres, des avions Caravelle et Concorde. Aujourd’hui, cette soufflerie est conservée comme monument national.
Ludwig Prandtl était le professeur de Théodore von Kármán à l’université de Göttingen et a suggéré la construction d’une soufflerie pour les essais des dirigeables qu’ils concevaient. :44 La rue tourbillonnaire de la turbulence en aval d’un cylindre a été testée dans la soufflerie.:63 Lorsqu’il a ensuite déménagé à l’université d’Aix-la-Chapelle, il s’est souvenu de l’utilisation de cette installation :
Je me suis souvenu que la soufflerie de Göttingen avait été lancée comme un outil pour étudier le comportement des Zeppelin, mais qu’elle s’était avérée précieuse pour tout le reste, depuis la détermination de la direction de la fumée provenant de la cheminée d’un navire, jusqu’à savoir si un avion donné allait voler. Le progrès à Aix-la-Chapelle, je le sentais, serait pratiquement impossible sans une bonne soufflerie.:76
Lorsque von Kármán a commencé à consulter Caltech, il a travaillé avec Clark Millikan et Arthur L. Klein.:124 Il s’est opposé à leur conception et a insisté sur un flux de retour rendant le dispositif « indépendant des fluctuations de l’atmosphère extérieure ». Il fut achevé en 1930 et utilisé pour les essais de Northrop Alpha.:169
En 1939, le général Arnold demanda ce qu’il fallait faire pour faire progresser l’USAF, et von Kármán répondit : « La première étape est de construire la bonne soufflerie. »:226 D’autre part, après les succès du Bell X-2 et la perspective de recherches plus avancées, il écrit : « J’étais en faveur de la construction d’un tel avion parce que je n’ai jamais cru que l’on pouvait obtenir toutes les réponses d’une soufflerie. »:302-03
Deuxième Guerre mondialeEdit
En 1941, les États-Unis ont construit l’une des plus grandes souffleries de l’époque à Wright Field à Dayton, Ohio. Cette soufflerie commence à 45 pieds (14 m) et se rétrécit à 20 pieds (6,1 m) de diamètre. Deux ventilateurs de 40 pieds (12 m) étaient entraînés par un moteur électrique de 40 000 hp. Les modèles d’avions à grande échelle pouvaient être testés à des vitesses d’air de 400 mph (640 km/h).
La soufflerie utilisée par les scientifiques allemands à Peenemünde avant et pendant la Seconde Guerre mondiale est un exemple intéressant des difficultés associées à l’extension de la portée utile des grandes souffleries. Elle utilisait de grandes grottes naturelles dont la taille avait été augmentée par excavation, puis scellée pour stocker de grands volumes d’air qui pouvaient ensuite être acheminés dans les souffleries. Cette approche innovante a permis de mener des recherches en laboratoire dans des régimes à grande vitesse et a considérablement accéléré le rythme de progression des efforts de l’Allemagne en matière de génie aéronautique. À la fin de la guerre, l’Allemagne disposait d’au moins trois souffleries supersoniques différentes, dont une capable de produire des flux d’air à Mach 4,4 (chauffé).
Une grande soufflerie en construction près d’Oetztal, en Autriche, aurait eu deux ventilateurs directement entraînés par deux turbines hydrauliques de 50 000 chevaux. L’installation n’a pas été achevée à la fin de la guerre et le matériel démonté a été expédié à Modane, en France, en 1946, où il a été remonté et y est toujours exploité par l’ONERA. Avec sa section d’essai de 8 m et sa vitesse jusqu’à Mach 1, c’est la plus grande installation de soufflerie transsonique au monde.
Le 22 juin 1942, Curtiss-Wright a financé la construction de l’une des plus grandes souffleries subsoniques de la nation à Buffalo, N.Y. Le premier béton du bâtiment a été coulé le 22 juin 1942 sur un site qui deviendra par la suite Calspan, où fonctionne encore la plus grande soufflerie indépendante des États-Unis.
À la fin de la Seconde Guerre mondiale, les États-Unis avaient construit huit nouvelles souffleries, dont la plus grande du monde à Moffett Field, près de Sunnyvale, en Californie, conçue pour tester des avions de taille normale à des vitesses inférieures à 250 mph, et une soufflerie verticale à Wright Field, dans l’Ohio, où le flux de vent est ascendant pour les tests de modèles en situation de vrille et les concepts et dessins techniques des premiers hélicoptères primitifs pilotés aux États-Unis.
Après la Seconde Guerre mondialeEdit
Jouer le média
Les recherches ultérieures sur les flux d’air proches ou supérieurs à la vitesse du son utilisaient une approche connexe. Des chambres à pression métalliques ont été utilisées pour stocker de l’air à haute pression qui était ensuite accéléré par une buse conçue pour fournir un écoulement supersonique. La chambre d’observation ou d’instrumentation (« section d’essai ») était ensuite placée à l’endroit approprié dans le col ou la buse pour la vitesse d’air désirée.
Aux États-Unis, l’inquiétude suscitée par le retard des installations de recherche américaines par rapport à celles construites par les Allemands a conduit à l’adoption de l’Unitary Wind Tunnel Plan Act de 1949, qui autorisait les dépenses pour construire de nouvelles souffleries dans les universités et sur les sites militaires. Certaines souffleries allemandes du temps de la guerre ont été démantelées pour être expédiées aux États-Unis dans le cadre du plan visant à exploiter les développements technologiques allemands.
Pour des applications limitées, la dynamique des fluides computationnelle (CFD) peut compléter ou éventuellement remplacer l’utilisation des souffleries. Par exemple, l’avion fusée expérimental SpaceShipOne a été conçu sans aucune utilisation de souffleries. Toutefois, lors d’un essai, des fils de vol ont été fixés à la surface des ailes, ce qui a permis d’effectuer un test de type soufflerie pendant un vol réel afin d’affiner le modèle de calcul. Lorsqu’un écoulement turbulent externe est présent, la CFD n’est pas pratique en raison des limitations des ressources informatiques actuelles. Par exemple, un domaine qui est encore beaucoup trop complexe pour l’utilisation de la CFD est la détermination des effets de l’écoulement sur et autour des structures, des ponts, du terrain, etc.
La façon la plus efficace de simuler un écoulement turbulent externe est d’utiliser une soufflerie à couche limite.
Il existe de nombreuses applications pour la modélisation de la soufflerie à couche limite. Par exemple, la compréhension de l’impact du vent sur les immeubles de grande hauteur, les usines, les ponts, etc. peut aider les concepteurs de bâtiments à construire une structure qui résiste aux effets du vent de la manière la plus efficace possible. Une autre application importante de la modélisation en soufflerie à couche limite est la compréhension des modèles de dispersion des gaz d’échappement pour les hôpitaux, les laboratoires et autres sources d’émission. D’autres exemples d’applications de la soufflerie à couche limite sont les évaluations du confort des piétons et de la dérive de la neige. La modélisation en soufflerie est reconnue comme une méthode d’aide à la conception de bâtiments écologiques. Par exemple, l’utilisation de la modélisation de soufflerie à couche limite peut être utilisée comme un crédit pour la certification Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) par le Conseil américain de la construction verte.
Les essais en soufflerie à couche limite permettent de simuler la traînée naturelle de la surface de la Terre. Pour plus de précision, il est important de simuler le profil de la vitesse moyenne du vent et les effets de turbulence dans la couche limite atmosphérique. La plupart des codes et des normes reconnaissent que les essais en soufflerie peuvent produire des informations fiables pour les concepteurs, en particulier lorsque leurs projets se situent dans des terrains complexes ou sur des sites exposés.
Aux États-Unis, de nombreuses souffleries ont été mises hors service au cours des 20 dernières années, y compris certaines installations historiques. La pression est exercée sur les souffleries restantes en raison d’une utilisation en baisse ou irrégulière, des coûts élevés de l’électricité et, dans certains cas, de la valeur élevée de l’immobilier sur lequel se trouve l’installation. D’autre part, la validation de la CFD nécessite toujours des données de soufflerie, et ce sera probablement le cas dans un avenir prévisible. Des études ont été réalisées et d’autres sont en cours pour évaluer les besoins futurs en souffleries militaires et commerciales, mais le résultat reste incertain. Plus récemment, l’utilisation croissante de véhicules sans pilote, instrumentés et propulsés par jet a remplacé certaines des utilisations traditionnelles des souffleries. En 2019, la soufflerie la plus rapide du monde est la soufflerie LENS-X, située à Buffalo, dans l’État de New York.