Le décollement de couche limite

La couche limite est la zone de l'écoulement ou la vitesse passe de la vitesse extérieure à une vitesse nulle. Dans la couche limite, les vitesses tengentielles à la paroi sont supposées  grandes devants les vitesses normales.

Cette zone peut se décoller de la paroi. Le point de décollement de couche limite est défini comme le point ou le frottement s'annule. En effet en amont du point de décollement le frottement est positif et en aval il est négatif.

Dans notre cas le décollement est dû à deux phénomènes :

  • La géométrie, du profil convexe à l'extrados (décollement intertiel)
  • Le gradient de pression adverse dû au choc

L'apparition du gradient de pression adverse fait apparaître deux points d'inflexion dans la couche limite, ce qui déstabilise la couche limite qui se décolle. Cela met en évidence l'importance de l'intéraction entre le choc et la couche limite. Deux cas se distinguent :

  • La couche limite ne se décolle pas, le gradient de pression adverse n'est pas assez puissant.
  • La couche limite se décolle avec une gradient de pression adverse assez puissant.

Dans le cas sans décollement, l'écoulement est accéléré par la forme convexe de l'extrados jusqu'à arriver à une vitesse sonique au col puis supersonique après le col. Lorsque la géométrie du profil ne permet plus d'accélerer l'écoulement, il y a formation d'un choc droit à l'extrados. Le choc baisse graduellement en intensité dans la couche limite. La couche limite s'épaissit à cause le gradient de pression adverse mais ne décolle pas. Cela crée un convergent virtuel pour l'écoulement supersonique, ainsi il y a création d'ondes de choc oblique qui convergent vers le choc droit hors de la couche limite.

Visualisation interférométrique et schéma de l'intéraction choc/couche limite sans décollement - Délery [4]

Donc le choc se crée, ce qui influence la couche limite, ce qui modifie le choc par la suite. Cela explique le terme d'intéraction choc/couche limite.

Si il y a décollement, l'angle du convergeant virtuel est plus grand, ainsi les chocs obliques sont plus forts et et montent plus haut. Il y a donc création d'un choc en forme de Lambda. À travers le choc oblique la vitesse reste supersonique et elle devient subsonique à travers le choc droit. Il existe un point triple qui relie les trois chocs.

Visualisation interférométrique et schéma de l'intéraction choc/couche limite avec écollement - Délery [4]

La nature de la couche limite a une grande importance dans le phénomène de décollement. Les couches limites turbulentes ont une plus grande intertie que les couches limites laminaires. Ainsi une couche limite laminaire décollera plus facilement d'une couche limite turbulente. C'est un paramètre très important dans la conception d'aile laminaire, car dans l'idéal la transition laminaire turbulent devrai toujours de faire juste avant le choc pour limiter le risque de décollement. Mais d'un autre côté elle devrait se faire le plus loin possible pour limiter la traînée de peau. Le design d'un profil transonique laminaire est donc un compromis.

D'après l'étude de Déléry [x], le décollement de la couche limite sur plaque plane pour une couche limite turbulente apparaît dès que le Mach amont au choc dépasse 1.3. Ce critère reste valable sur profil surpercritique.

Il existe plusieurs types de décollements :

  • Le décollement au pied de choc directement lié au choc. Cette zone grandit avec l'intensification du choc et finit par atteindre le bord de fuite.
  • Le décollement au bord de fuite provoqué par la géométrie convexe associé à un bulbe de décollement au pied du choc. Ces deux zones grandissent avec l'intensification du choc jusqu'à fusionner. (Explosion du bulbe de décollement)

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À gauche : Décollement au pied du choc - À droite : Décollement au pied du choc et au bord de fuite - Lee [2]

Le type de décollement qui apparaît dépend de la famille géométrique du profil [11]:

  • Les profils normaux font apparaître un bulbe de décollement au pied de choc seul.
  • Les profils supercritiques  font apparaître les décollements au pied du choc et au bord de fuite.