Soufflerie

La soufflerie de Tsiolkovski.

Les premières expériences visant à tester l'écoulement de l'air sur des corps ont été faites soit par chute libre (notamment par Isaac Newton et Desaguliers)[1]^,[2] soit avec des manèges, notamment par George Cayley vers 1800, le corps étant supporté par un bras tournant. Cette deuxième méthode ayant l'inconvénient d'introduire des effets centrifuges et de faire évoluer le corps dans son propre sillage aérodynamique, l'idée est venue de créer un mouvement d'air sur un corps immobile. La première soufflerie a été inventée et réalisée en Angleterre par Francis Herbert Wenham et John Browning en 1871[3]. Puis vint la soufflerie d'Horatio Phillips en 1884 (voir cette image). Constantin Tsiolkovski construisit et expérimenta la première soufflerie russe en 1897 (image ci-contre).

La soufflerie des frères Wright.

Les Frères Wright, cherchant à analyser et améliorer les performances de leurs planeurs, ont également fabriqué une petite soufflerie en 1901, laquelle leur a permis de déterminer la vrai valeur du fameux (à l'époque) coefficient de Smeaton quantifiant l'action du vent sur les plaques, donc sur les ailes.

Soufflerie à veine libre type Eiffel.

Après celle de Charles Renard à l’Établissement Militaire de Chalais-Meudon dont il était le directeur (voir cette image)[4] ^,[5] ^,[6], la première soufflerie française fut celle de Gustave Eiffel dans son laboratoire aérodynamique édifié sur le Champ-de-Mars (Paris) en 1909. Eiffel dû quitter le Champ de Mars en 1911 aussi créa-t-il une nouvelle soufflerie plus grande dans le Quartier d'Auteuil (cette soufflerie est toujours active)[7] (image ci-contre). La première soufflerie à circuit fermé est celle de Ludwig Prandtl au Centre de Recherche Aérodynamique de Göttingen en 1909.
Avec le développement de l'aéronautique militaire à partir de 1910, et suivant la première guerre mondiale, les grandes nations ont construit des souffleries de plus en plus grandes; celle de Chalais-Meudon était la plus grande en 1929 :

1923 : soufflerie à densité variable (en) de Langley Field du NACA.

1931 : soufflerie pour modèle à l'échelle 1 (dite full scale [image]) à Langley Field du NACA.

1936 : première soufflerie supersonique à Peenemünde (entrée en service en 1939).

1936 : soufflerie de Banlève inaugurée en 1937 pour tester les avions de l'armée de l'air française.

1944 : soufflerie de 12 × 24 m à Moffet Field au centre Ames du NACA.

• 
  Mesure du Cx de la sphère par Eiffel.
• 
  Soufflerie à densité variable.
• 
  Soufflerie full scale de Langley (aujourd'hui détruite).

Schéma d'une soufflerie à circuit ouvert et veine fermée.

Une soufflerie se compose d'un circuit aérodynamique comportant une veine d'essais. Le circuit d'air peut être ouvert ou fermé :

• soufflerie à circuit ouvert, dit de « type Eiffel » (par exemple la soufflerie de Gustave Eiffel construite en 1912 rue Boileau à Auteuil, qui est toujours en exploitation[8]) ;
• soufflerie à retour (en circuit fermé) (ex. : S1MA de l'ONERA à Modane-Avrieux en Savoie).

La veine d'essais peut être ouverte ou « libre » comme dans les souffleries Eiffel, guidée (par exemple par un plancher pour tester des automobiles) ou fermée. Dans la plupart des souffleries à retour, la veine d'essais est fermée, ce qui permet de contrôler (et de modifier) la température et la pression de l'air.

Le flux d'air est généralement aspiré et non soufflé sur le modèle, le ventilateur (ou compresseur) étant disposé en aval de la veine d'essais.

Schéma d'une soufflerie à retour; la veine d'essais est ouverte.

Soufflerie allemande, 1935. Rotor, diamètre : 8,50 m.

• Arrivée d'air ou collecteur, prenant l'air soit à l'extérieur, soit dans un bâtiment, ou bien l'air revenant de la veine d'essais (circuit à retour).
• Chambre de tranquillisation de grande dimensions, comprenant un filtre à alvéoles de type nid d'abeille pour redresser les filets d'air et des grillages très fins pour réduire la turbulence.
• Tuyère convergente servant à accélérer l'air vers la veine d'essais. Le taux de contraction peut dépasser 10.
• Veine d'essais avec les équipements de mesure. La section de la veine est le plus souvent rectangulaire ou polygonale (rectangulaire avec des panneaux à 45° dans les angles), quelquefois circulaire ou elliptique.
• Diffuseur ou divergent; l'air y est progressivement ralenti en élargissant la section avec une conicité faible (environ 2° pour chaque paroi).
• Ventilateur ou compresseur; la section de la veine est circulaire au niveau des pales. Les plus grandes souffleries de type ouvert (Chalais-Meudon et Moffet Field) présentent plusieurs rangées de ventilateurs disposés dans un veine rectangulaire ou elliptique.
• Sortie d'air (soit à l'extérieur, soit dans un local) ou bien continuité du circuit (circuit à retour). Dans ce cas le circuit présente généralement quatre coudes à 90° équipés de déflecteurs (guide vanes). Les souffleries dites ouvertes placées dans un bâtiment fermé sont en fait des souffleries à retour, le retour se faisant à l'intérieur du bâtiment.

• Avions : pied central (trois axes), pieds latéraux (tangage), dard arrière (tangage, roulis).
• Véhicules : sol fixe avec aspiration de la couche limite ou sol défilant à la vitesse du véhicule.
• Bâtiments/ouvrages d'art : balance six axes.
• Plateau tournant pour modifier l'azimut (l'angle de lacet).

• Balance six composantes.
• Anémomètres (laser Doppler anémométrie, anémométrie par fil chaud…).
• Tubes de Pitot.
• Traitement acoustique de la veine d'essais pour effectuer des mesures de bruit.
• Caméra, laser et système d'ensemencement de particules pour effectuer des mesures particle image velocimetry (en) (PIV).
• Strioscopie.

Dans le cas d'un mobile (avion, véhicule), on considère que l'effet de l'air en mouvement sur le modèle à l'arrêt est le même que sur le modèle en mouvement dans une masse d'air fixe. Pour avoir des résultats d'essais valables à échelle réduite, il faut suivre la loi de similitude qui demande de conserver le nombre de Reynolds traduisant le rapport entre les forces d'inertie et de viscosité de l'air.

Nombre de Reynolds : ${\displaystyle \mathrm {Re} ={\frac {VL\rho }{\mu }}}$

V : vitesse de l'air, L : longueur du corps (la corde du profil pour une aile)

${\displaystyle \rho }$ : masse volumique de l'air, ${\displaystyle \mu }$ : viscosité dynamique.

Compte tenu des dimensions des avions les plus grands (gros porteurs), on doit obtenir en soufflerie des nombres de Reynolds très élevés ; pour cela, on peut jouer sur V, L et ${\displaystyle \rho }$. Pour L et V, on doit augmenter la taille du modèle et la vitesse de l'air : cela conduit à des souffleries plus grandes et des motorisations plus puissantes. On peut aussi augmenter rho (la masse volumique de l'air) en augmentant la pression d'air dans la soufflerie (soufflerie pressurisée) ou en diminuant la température de l'air (soufflerie cryogénique), ou les deux.

L'air étant compressible, il faut aussi respecter le nombre de Mach dans le cas des grandes vitesses. La plupart des avions de ligne (à réaction) volent à plus de Ma 0,8.

En fonction des besoins de vitesse et de Reynolds, les caractéristiques physiques de l'écoulement peuvent être modifiées :

• soufflerie classique, atmosphérique ;
• soufflerie pressurisée (quatre à dix bars ou plus) ; le nombre de Reynolds augmente avec la masse volumique de l'air ;
• soufflerie cryogénique ;
• soufflerie dite à rafale, caractérisée par un temps de fonctionnement limité (de l'ordre de la minute) ;
• soufflerie à arc, caractérisée par un temps de fonctionnement très court (quelques secondes) permettant de simuler des conditions extrêmes telles que l'échauffement causé par une rentrée dans l'atmosphère.

Souffleries d'étude

Modèles simples à visée éducative, généralement à circuit ouvert. Dimension de la veine de l'ordre de 60 × 60 cm. Les moins puissantes ont une puissance de quelques kilowatts, ce qui permet de mettre en mouvement une veine fluide de quelques décimètres carrés de section.

Souffleries universitaires

Veines de 1 à 5 m² de section, vitesse de l'ordre de 40 à 60 m/s, permettent des essais de modèles de planeurs et d'avions à basse vitesse (moins de 200 km/h). Exemples, la soufflerie S4 de l'ISAE[9], ou celle de l'université d'Orléans.

Veines de 5 à 8 m² de section, vitesse de l'ordre de 50 à 100 m/s, permettent des essais de modèles d'avions plus grands, à vitesse plus élevée. Exemple typique, la soufflerie américaine Texas University de 7 × 10 ft (6,32 m²)[10].

Souffleries subsoniques

Ces souffleries ont une vitesse d'air jusqu'à 100 m/s (360 km/h ou Ma 0,3). On peut y tester les véhicules routiers et les avions en phase de décollage ou d'atterrissage. Exemples, souffleries F1 (pressurisée) et F2 de l'Onera, souffleries atmosphériques[11] et climatiques[12] du CSTB.

Très grandes souffleries

La plus grande soufflerie subsonique à retour est celle de l'ONERA à Modane[13] (plus de 120 m de circuit, veine d'expérience de 8 m de diamètre), mise en service en 1952. Très puissante (88 MW), on peut y tester des modèles de 4 m d'envergure, à plus de 300 m/s. La soufflerie subsonique en circuit ouvert la plus grande est celle de du NASA Ames Research Center ; elle a une section de test ouverte de 80 × 120 ft soit 24 × 36 m, près de 900 m² ; elle dispose de six ventilateurs d'une puissance totale de 100 MW (135 000 ch).

Souffleries transsoniques

Elles ont une vitesse d'air allant de Ma 0,5 à Ma 1,3, permettant de tester les avions à réaction de transport civil volant généralement autour de Ma 0,80-0,85. La soufflerie transsonique cryogénique Européenne ETW (European Transonic Wind Tunnel) est établie à Cologne, en Allemagne[14]. La combinaison de la pression (jusqu'à 4,5 bar) et de la température très basse (jusqu'à −160 °C) permet d'obtenir un nombre de Reynolds équivalent à celui des plus grands avions de ligne (Re 80 M pour l'aile de l'A380). La puissance installée est de 50 MW (68 000 ch).

Souffleries supersoniques

Fonctionnant de Ma 1,5 à 5, elles permettent de tester les avions de combat et les missiles. Exemples, la soufflerie Onera S2 MA[15], la soufflerie EDITH de la plateforme FAST située au laboratoire ICARE, du CNRS, Orléans.

Souffleries hypersoniques

Les souffleries à rafales, soufflant un air stocké sous haute pression dans des cuves, permettent d'atteindre de très grandes vitesses, jusqu'à 25 Mach pour tester les véhicules hypersoniques et la rentrée dans l'atmosphère. Exemples, les souffleries Onera S3 (Mach 5,5) et S4 (Mach 12) et F4. La soufflerie à fonctionnement continu MARHy de la plateforme FAST localisée au laboratoire ICARE[16] (Orléans) permet de simuler des écoulements raréfiés Mach 20.

Souffleries supersonique haute enthalpie

Souffleries destinées à la simulation de certaines conditions de la phase à haute enthalpie des rentrées atmosphériques. Elles permettent de tester la tenue thermique des matériaux utilisés pour la protection thermiques des engins spatiaux. Ex:la soufflerie supersonique, haute enthalpie à fonctionnement continu PHEDRA de la plateforme FAST localisée au laboratoire ICARE[17] (Orléans).

Souffleries sportives

Reproduisant les conditions d'un corps en chute libre, elles ont été initialement conçues pour l'entrainement des parachutistes. Également appelée simulateur de vol en chute libre[18], la soufflerie est progressivement devenue un sport à part entière, chapeauté en France par la Fédération française de parachutisme qui œuvre actuellement pour qu'elle devienne sport olympique à partir de 2024. Les pratiquants de plus en plus nombreux ne sont plus forcément parachutistes. La soufflerie sportive dispose maintenant d'équipes nationales et de ses propres compétitions.

Voir aussi

Soufflerie de Banlève.

Tourbillon marginal sur un Cessna 182 révélé en soufflerie par le mouvement de bulles de savon gonflées à l'hélium.

Cône de choc à Mach 1,2 observé par strioscopie.

Mesures
Les souffleries servent essentiellement à mesurer les pressions locales (sur la surface du modèle), les champs de pressions (en aval du modèle), les forces aérodynamiques de portance (verticale et latérale) et de traînée, les moments aérodynamiques sur les trois axes : tangage, roulis, lacet.
Mesures de bruit.

Visualisation d'écoulement en soufflerie.

Visualisation
L'utilisation de fils souples, de jets d'air colorés ou de produits chimiques sensibles à la nature de l'écoulement permettent de visualiser les lignes d'écoulement et leur nature (attaché, décollé). La strioscopie permet de visualiser les cônes d'ondes de choc en écoulement supersonique.

Comportement
Le comportement en vol d'un modèle réduit piloté à distance peut être étudié en soufflerie; si le modèle n'est pas propulsé, il peut être testé dans une veine d'air en pente[19]. Quand le modèle est motorisé (par hélice ou par jet d'air comprimé), il peut être testé dans une soufflerie normale[20].
Il existe des souffleries à axe vertical permettant de tester le comportement des avions en vrille[21].

Effets climatiques
Les effets climatiques - vent, pluie et neige - sur les ouvrages de génie civil ou sur des véhicules sont étudiés dans des souffleries climatiques comme la soufflerie Jules Verne du CSTB se trouvant à Nantes. Ce type de soufflerie permet d'étudier :

• le profil des tabliers de ponts avec leurs superstructures pour éviter le phénomène de résonance vibratoire sous l'effet du vent ;
• l'effet du couplage du vent et de la pluie sur la vibration des haubans des ponts à haubans, ou du couplage entre deux haubans placés l'un à côté de l'autre ;
• les effets d'accumulation de neige sous l'effet du vent sur de grands couvertures ;
• la forme des écrans brise-vent des ponts pour assurer la sécurité des véhicules : trains duplex sur les ponts d'Avignon de la LGV Méditerranée, automobiles sur le viaduc de Millau ;
• la mise au point des normes sur les effets du vent et de la neige (règles Neige et Vent).

Simulateur de chute libre

• La soufflerie F2 du centre de Fauga-Mauzac, ONERA 1983, rapport NACA
• Design rules for small low speed wind tunnels
• Wind Tunnel Design, Peter Bradshaw – Rabi Mehtahttp
• Pourquoi des souffleries ?
• Qu’est ce qu’une soufflerie ?

• Tube à choc : une alternative moins onéreuse
• Arnold Engineering Development Complex, les souffleries de l'AEDC
• Ames Research Center, les souffleries de la NASA
• Hypervelocity Wind Tunnel 9, soufflerie hypersonique
• Groupe de compétences en mécanique des fluides et procédés énergétiques, laboratoire suisse
• Tunnel hydrodynamique (en), l’équivalent hydraulique d’une soufflerie
• Soufflerie industrielle HEPIA Genève Hepia Geneva Wind Tunnels

• Notices dans des dictionnaires ou encyclopédies généralistes :

  • Enciclopedia De Agostini
  • Encyclopædia Britannica
  • Store norske leksikon
• Notices d'autorité :

  • Bibliothèque nationale de France (données)
  • Bibliothèque du Congrès
  • Gemeinsame Normdatei
  • Bibliothèque nationale d’Israël
  • Bibliothèque nationale tchèque
• Soufflerie climatique Jules Verne du CSTB
• Soufflerie d'Avrieux (ONERA)
• Les souffleries de la NASA
• Souffleries du continent américain

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