Tunnels d'essai : aérodynamiques et numériques
Il y a environ vingt-cinq ans, le premier vol d'un prototype avait lieu avec l'aventure, mais aujourd'hui, les compagnies aériennes les achètent avant de réaliser les avions. L'avancement des ordinateurs permet aux ingénieurs de calculer et de prédire toujours mieux le comportement des avions pendant le vol. Pour ce faire, les phénomènes complexes de mouvement aérien qui se produisent dans l'environnement de l'avion sont analysés par des méthodes élaborées par des spécialistes en mécanique des fluides. Même si ces études ne sont pas encore pleinement fiables, leur utilisation est en plein essor. Les calculs remplaceront-ils jamais l'essai ?
On prévoit deux voies : d'une part la construction de tunnels de grande taille et de performances, bien sûr chers, et d'autre part l'utilisation de superordinateurs qui seraient des tunnels numériques.
Un exemple de la première route est le tunnel d'essai de Cologne. Le but de ce tunnel est d'analyser le régime transonique, c'est-à-dire si la vitesse de l'avion est similaire à celle du son (notez que la vitesse de l'avion de transport est souhaitable qu'il soit de mille kilomètres par heure). Techniquement, cette vitesse correspond au numéro 0,9 de Mach, qui est le rapport entre la vitesse de l'avion et la vitesse du son.
Les phénomènes physiques qui se produisent à des vitesses transoniques sont complexes, il convient donc de les exprimer au mieux. Pour exprimer le flux aérodynamique, deux paramètres doivent être pris en compte: Numéro de Mach et numéro de Reynolds. Ces paramètres doivent être simulés le mieux possible dans le tunnel. Le nombre de Mer est bien simulé en injectant de l'air à la vitesse requise.
Cependant, le nombre de Reynolds ne se simule pas aussi facilement (le nombre de Reynolds peut être défini comme le rapport entre forces d'inertie et forces de viscosité). Le nombre de Reynolds dépend de la taille de la maquette. Étant la maquette inférieure à l'avion réel, les ingénieurs doivent l'extrapoler et ces extrapolations ne sont parfois pas correctes. Il faut chercher des solutions pour simuler ce numéro. L'une d'elles est la réduction de la température. Dans le tunnel de Cologne, l'air sera remplacé par de l'azote comme fluide.
Comme l'azote peut être refroidi jusqu'à -180°C, il peut être approprié de simuler le nombre de Reynolds. Mais en 1994, concrètement dans l'année de la mise en marche du tunnel, il peut devenir obsolète, car dans les années à venir l'évolution des superordinateurs peut être spectaculaire.
Selon certains chercheurs, le calcul peut remplacer des simulations impossibles à réaliser dans des tunnels et réduire les délais et les coûts des simulations nécessaires dans la conception d'espaces. D'autre part, les nouveaux modèles d'avion ont une période d'essai. Plus les performances requises sont élevées, plus la période d'essai est longue. Par conséquent, selon une extrapolation, la période d'essai d'un véhicule aérospatial qui devrait effectuer un premier vol en 2000 serait d'environ cinquante ans en tunnels.
Compte tenu de ce chiffre, il n'est pas surprenant de pouvoir analyser d'autres voies. Les partisans des simulations de calcul ont plaidé en faveur de cette voie par l'augmentation de la puissance expérimentée par les ordinateurs. L'augmentation de la vitesse de calcul des grands ordinateurs et de la capacité de la mémoire principale a été exponentielle et il est prévisible que la même tendance se maintienne à l'avenir. En outre, la croissance de la puissance a été accompagnée d'une baisse des prix. L'augmentation du prix des ordinateurs a été inférieure à celle de leur puissance. Par conséquent, le coût du calcul diminue au fil du temps.
La simulation par calcul est composée de deux parties importantes, matériel et logiciel. Comme nous avons parlé de matériel, nous allons parler de logiciel. Théoriquement, le mouvement de l'air autour de n'importe quel corps peut être connu en résolvant les équations de la mécanique des fluides. Cependant, à travers ce système et compte tenu de la difficulté des équations, il n'y a pas d'ordinateur qui peut arriver à un résultat. Par conséquent, ces équations complexes sont remplacées par des bases de données. Les bases de données sont basées sur l'expérience accumulée, mais cette voie n'a pas été utilisée jusqu'à récemment, d'une part parce qu'il n'y avait pas assez d'expérience et d'autre part parce que les ordinateurs n'étaient pas aussi rapides que maintenant.
Cependant, dans toute simulation, le traitement de la turbulence est extrêmement compliqué. Les conditions obtenues à la fois dans des tunnels aérodynamiques et de calcul rendent difficile d'expliquer l'état de turbulence. Ainsi, dans certains endroits, on a opté pour le développement de voies mixtes, c'est-à-dire pour l'application de méthodes numériques dans des tunnels aérodynamiques. La NASA, par exemple, en est favorable.
Un dirigeant disait : Les besoins de tests en tunnels des projets aérospatiaux actuels et futurs nord-américains se développent. Les nouveaux projets, ainsi que les calculs les plus avancés, nécessitent des essais aussi précis que possible. Nous devons donc maintenir notre capacité d'essai et la renforcer.
Bien sûr, l'accès aux voies mixtes a des coûts économiques élevés. Des pays comme la France ont misé sur des tunnels aérodynamiques. Les technologies utilisées dans ces tunnels seront nouvelles. Les dispositifs mécaniques utilisés autrefois pour mesurer la vitesse modifiaient le flux. En revanche, une méthode optique laser peut fournir des composants de vitesse dans deux ou trois directions sans affecter le flux d'air.
Une autre méthode basée sur le laser permet de visualiser les tourbillons qui se produisent après les ailerons ou le flux ultérieur des systèmes de propulsion. L'aspect des murs des tunnels est également important. Quand le nombre de Mach est de l'ordre de 1, les ondes de choc émises par la maquette se reflètent sur les murs et se retournent. Par conséquent, pour que cela ne se produise pas, le mur doit avoir un aspect spécial.
En appuyant la maquette sur un support, elle peut affecter le mouvement du fluide. Pour supprimer cet effet, vous devez supprimer le support et rechercher d'autres supports. Ce type de supports sont obtenus par des champs magnétiques.
Cependant, si ces tunnels rénovés sont contrôlés par des superordinateurs, les tunnels aérodynamiques deviendront des tunnels numériques. Les meilleures options sont donc proposées en combinant des essais pratiques et des ordinateurs.
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