Influence du nombre de Mach et de l'angle d'attaque

A présent, nous utilisons le solveur sonicFoam. Nous étudions l'évolution des coefficients de portance et de traînée en fonction de l'angle d'attaque de l'écoulement, puis en fonction de deux nombres de Mach différents, Ma = 0,5 et Ma = 0,8 (Mach critique), .

 

Analyse de l'influence de l'angle d'attaque de l'écoulement :

  • angle d'incidence faible (voisin de 0°) :

 

Les filets fluides s'écoulent régulièrement autour de l'aile et leur trajectoire n'est que peu affectée par la présence de celui-ci. L'air n'est que peu déviée sur l'extrados. En revanche, on remarque une légère turbulence au voisinage du bord de fuite.

De faibles dépressions sur l'extrados et sous l'intrados sont observables. Comme on pouvait s'y attendre, une surpression est localisée au niveau du bord d'attaque. A incidence nulle, seule la dépression d'extrados assure la sustentation mais sa valeur est peu élevée d'où une portance faible. L'explication du phénomène de sustensation réside dans le fait que l'aile est à la fois aspirée par la dépression et repoussée par la surpression. De plus, la turbulence autour du profil est peu marquée : les forces dues aux frottements sont réduites, d'où également une traînée faible.

Par conséquent, en première approche, l'angle 0° est un angle d'incidence de portance nulle. Les forces de pressions qui s'exercent de part et d'autre du profil se font alors équilibre. La résultante aérodynamique se compose donc de la traînée seule.

  • angle d'incidence élevé (voisin de 15°) :

 

L'écoulement de l'air est très perturbé par la présence de l'aile : la vitesse croît sur l'extrados et diminue sur l'intrados. Le fluide est très fortement dévié vers le haut sur l'extrados, ce qui provoque une forte dépression. Mais en revanche sous l'intrados, la déviation imposée vers le bas aux filets d'air provoque une surpression qui permet de sustenter ("porter") l'aile. La portance élevée s'explique par la différence de pression de part et d'autre de l'aile. La traînée a également tendance à augmenter : ce phénomène est du à un décollement des filets d'air sur l'extrados, donc à une zone turbulente.

  • angle d'incidence critique (voisin de 18°) :

 

Au fur et à mesure de l'augmentation de l'angle d'incidence, les filets d'air cessent de suivre le contour de l'extrados et décollent de celui-ci. Il s'y produit une agitation intense et des tourbillons (recirculations), pertubation synonyme d'augmentation de traînée. Ce phénomène diminue la dépression extrados et l'on observe une brusque chute de portance (voir graphe). La couche limite (et l'aile) décroche (phénomène dit de décrochage). On peut remarquer les recirculations sur l'extrados sur les figures ci-dessus.

A noter que l'angle de décrochage lié à ce phénomène important varie avec la forme du profil de l'aile. Il serait intéressant dans une prochaine étude d'analyser l'influence de la géométrie de l'aile.


Théoriquement, le décrochage du profil d'aile NACA12 se produit pour un angle d'incidence de 16° (voir graphe du coefficient de portance page précédente). Dans notre simulation, le coefficient de portance augmente jusqu'à une valeur $\alpha = 18°$. Le décrochage se produit donc plus tard. Une des explications de cet écart est l'utilisation des équations d'Euler pour la résolution de l'écoulement, et non des équations de Navier-Stokes.

 

Analyse de l'influence du nombre de Mach :

 

On peut remarquer que pour un nombre de Mach Ma=0,8, les valeurs des coefficients de traînée et de portance sont en tout point supérieures à celles obtenues avec un Ma=0,5. Nous avons cherché une explication à ces observations. Tout d'abord, à Ma=0,8, le Mach critique s'avère être dépassé. Le Mach critique détermine l'instant à partir duquel sur l'extrados, il peut apparaître une zone où la vitesse égale et dépasse la vitesse du son. A Ma=0,8, l'écoulement est de type transsonique. Ce régime est très difficile à étudier. Le graphe ci-dessous donne une explication de l'augmentation continue du coefficient de traînée à Ma=0,8.

source

L'augmentation de la traînée est due à la formation d'une onde de choc le long du profil d'aile. Ce phénomène débute typiquement aux alentours de Ma=0,8. La traînée augmente et atteint un maximum vers Ma=1. Par conséquent, une nouvelle composante de traînée apparaît : la traînée d'onde.

 

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