Optimisez la Performance Grâce à l’Aérodynamique Externe

Téléchargez cet article en pdf pour tout savoir sur l’aérodynamique et les capteurs adaptés.

• INTRODUCTION
• DÉTERMINATION DE TROIS TYPES DE FORCES DIFFÉRENTS
• La Force de traînée
• La force de portance
• Les efforts horizontaux
• INTÉRÊTS D’UNE ÉTUDE D’AÉRODYNAMIQUE EXTERNE
• DES MESURES DE PRESSION PAR CAPTEURS PIÉZORÉSISTIFS
• LES AVANTAGES A L’USAGE DES CAPTEURS DE PRESSIONS PIEZORESISTIFS
• UN ACCOMPAGNEMENT PERSONNALISÉ
• PCB PIEZOTRONICS ET SES DIFFÉRENTES MARQUES
• CONCLUSION

INTRODUCTION

Vous ne le savez peut-être pas, mais l’aérodynamique externe est un phénomène physique auquel vous êtes confrontés tous les jours. Lorsque vous conduisez votre voiture, lorsque vous prenez l’avion ou le train, ou encore lorsque vous nagez à la piscine. La discipline qu’est l’aérodynamisme étudie en effet l’écoulement d’un fluide, que ce soit de l’air, de l’eau, un mélange gazeux, autour d’un corps au repos, ou le déplacement d’un corps dans un fluide qui, lui, est au repos. Plus généralement, les cas réels sont une combinaison de ces deux situations. A savoir le déplacement d’un corps dans un fluide qui, lui-même, est en mouvement.

DÉTERMINATION DE TROIS TYPES DE FORCES DIFFÉRENTS

L’aérodynamique externe peut servir à déterminer la force exercée par le fluide sur un objet (un véhicule, par exemple) lors du déplacement soit du fluide autour de l’objet, soit de l’objet dans le fluide. Il est donc important de connaître cette force, parce qu’elle peut avoir des conséquences pratiques sur la conception et l’utilisation de l’objet. L’effort aérodynamique peut être étudié selon ses trois composantes dans un repère orthogonal bien choisi et on peut ainsi déterminer :

La Force de traînée

il s’agit de la force correspondant à la résistance aérodynamique à l’avancement de l’objet (véhicule ou avion, par exemple) dans le fluide et qui permet de calculer le coefficient de traînée, ou Cx. On peut voir cette force comme un ressort qui retiendrait l’objet et l’empêcherait d’avancer. Il est important de connaître ce coefficient parce qu’il permet de déterminer directement la consommation énergétique du véhicule ou de l’avion. Plus la force de traînée est grande, plus la consommation en carburant, ou en électricité, pour se déplacer sera élevée ;

La force de portance

il s’agit d’une force verticale qui est appliquée sur l’objet. Dans le cas d’un avion, on cherche à maximiser cette force de manière à obtenir une meilleure performance de vol et une enveloppe de vol élargie. L’objectif est donc de pouvoir voler plus facilement, soit en paliers, soit en présence de conditions moins optimales (afin d’éviter le décrochage basse vitesse, c’est-à-dire la perte de portance due à un angle d’incidence trop important de l’avion relativement à sa vitesse air).

Dans le cas d’un véhicule, on cherche plutôt à minimiser la force de portance de manière à ce que le véhicule ait, à vitesse élevée, une meilleure stabilité et une meilleure tenue de route. C’est typiquement le cas de véhicules de série, dont certains ont dû être redessinés en urgence suite à des accidents survenus à haute vitesse. Dans le cas de véhicule de sport auto (Formule 1, Sport prototype…), on cherche à maximiser (en valeur absolue) la force de portance, mais dirigée vers le bas, c’est-à-dire à plaquer le véhicule au sol, grâce à l’utilisation d’ailerons, par exemple. Une Formule 1 pourrait ainsi rouler au plafond !

Les efforts horizontaux

ces efforts latéraux, vers la gauche ou la droite, ont un impact direct sur le comportement de l’objet, soit en faisant dévier sa trajectoire, dans le cas d’un avion, soit en générant des vibrations ou des oscillations, dans le cas de grandes cheminées d’usine ou, plus simplement, de l’antenne radio d’un véhicule. C’est d’ailleurs la raison pour laquelle ces structures sont parfois équipées d’un fil torsadé, pour réduire les efforts horizontaux qu’elles subissent (minimisation du lâcher tourbillonnaire)

INTÉRÊTS D’UNE ÉTUDE D’AÉRODYNAMIQUE EXTERNE

Au-delà de la détermination de ces différentes forces, l’aérodynamique externe permet également de définir les conditions de guidage d’écoulement optimales pour une application donnée, comme :

• L’entrée d’air guidée pour le refroidissement d’un moteur ;
• La réduction de la traînée par l’ajout d’artifices aérodynamiques à une voiture, un camion, un hélicoptère, un bateau, un avion, un planeur,
  un drone, etc. ;
• Le refroidissement de freins ;
• La performance d’un turbo propulseur.

Il est aussi possible d’identifier des structures dans un écoulement. On peut identifier des structures tourbillonnaires (vortex), en agissant sur les formes les générant et / ou les supprimant. Il est également faisable de développer des artifices aérodynamiques – l’objectif est la réduction de la traînée et, donc, de la consommation énergétique – et / ou de mieux appréhender l’influence de la présence d’un objet dans un écoulement.

L’aérodynamique externe peut par ailleurs vous aider à améliorer la conception d’objets au travers de :

• La suppression des forces fluctuantes dans le temps ;
• La réduction des bruits perçus par le conducteur ou les passagers, ou perçu à l’extérieur ;
• La réduction des salissures, sur la lunette arrière d’un véhicule, par exemple ;
• Davantage de liberté offerte au styliste, permettant par exemple de corriger des formes moins aérodynamiques.

DES MESURES DE PRESSION PAR CAPTEURS PIÉZORÉSISTIFS

Une étude d’aérodynamique externe ne peut toutefois pas être faite sans de bonnes mesures de pression, que ce soient des pressions pariétales ou des pressions directement dans l’écoulement. Ces mesures de pression permettent également de collecter des informations sur le taux de turbulence, l’état de transition des couches limites ou les décollements par exemple. Pour ces applications, PCB Piezotronics préconise l’utilisation de capteurs de pression piézorésistifs pour les avantages suivants :

LES AVANTAGES A L’USAGE DES CAPTEURS DE PRESSIONS PIEZORESISTIFS

• Principe de mesure par pont de Wheatstone, assurant la mesure de pression statique (niveaux de pression et d’effort moyens) et de pression selon une dynamique large bande, jusqu’à des fréquences de l’ordre de 100 kHz. On peut différencier différents comportements dynamiques :
• Dynamique plutôt lente : problématiques liées au sillage (appontage d’un bateau, sécurité des personnes attendant un train sur le quai d’une gare, bruit généré par l’interaction des sillages des pales et du mât d’une éolienne, sillage de véhicule…) ;
• Dynamique un peu plus rapide : interaction de sillages (entre une cabine d’une remontée mécanique, soumise au vent, et une autre cabine ou entre une cabine et un pylône, entre deux véhicules se doublant ou se croisant) ;
• Phénomènes plus rapides : lâcher tourbillonnaire, ou allée de tourbillons de Karman, derrière un cylindre ou une structure ressemblant à un cylindre, entrée de trains à grande vitesse en tunnels ;
• Phénomènes très rapides : taux de turbulence (petites structures), génération ou dissipation de turbulences, perturbations acoustiques… ;
• Mesure de tous les niveaux de fluctuation de l’écoulement, de toutes les dynamiques de l’écoulement et, donc, de toutes les structures ;
• Mesure directe au contact du fluide, sans amortissement, avec conversion directe en un signal électrique ;
• Adaptation à des conditions d’essais et d’environnement très variées, grâce à leurs petites dimensions, leur légèreté, leurs formes diverses et variées, ainsi qu’une installation possible sans perçage (collage sur une paroi, par exemple) permettant l’instrumentation d’à peu près n’importe quel objet ;
• Faible inertie, c’est-à-dire des capteurs très peu sensibles à leur propre accélération, donc, adaptés aux environnements vibratoires, même en présence de vibrations élevées.

UN ACCOMPAGNEMENT PERSONNALISÉ

Si vous êtes intéressés par la réalisation d’essais, une équipe d’experts de PCB Piezotronics est à votre service. Elle vous accompagnera dans l’expression de votre besoin jusqu’au résultat expérimental final, en passant par le choix des capteurs de pression les mieux adaptés à votre application, leur mise en œuvre. L’entreprise propose également des services de location ou de prêt (en échange de retours d’expérience) de capteurs, ainsi que des prestations d’étalonnage. PCB Piezotronics peut également fournir des prestations d’expertise sur demande auprès de ses clients.

PCB PIEZOTRONICS ET SES DIFFÉRENTES MARQUES

Guillaume Bonnavion, est l’expert en mécanique des fluides, aérodynamique, acoustique et hydrodynamique chez PCB Piezotronics France. PCB Piezotronics développe et fabrique des solutions de mesure de grandeur physique, sous différentes marques. Ces produits sont :

• Accéléromètres piézoélectriques/Mems ;
• Capteurs de pression piézoélectriques/piézorésistifs ;
• Capteurs de force piézoélectriques et à jauge de contraintes ;
• Microphones de mesure (PCB Piezotronics) ;
• Accéléromètres piézoélectriques/Mems ;
• Capteurs de pression piézorésistifs (Endevco) ;
• Produits industriels basés sur la technologie piézoélectrique (IMI Sensors) ;
• Pots vibrants ;
• Stations d’étalonnage (The Modal Shop) ;
• Sonomètres et dosimètres (Larson Davis).

CONCLUSION

Pour conclure, l’aérodynamique externe influence directement la performance de nombreux produits. En réduisant la traînée, en optimisant la portance et en contrôlant les efforts horizontaux, vous améliorez la consommation énergétique, la stabilité et la performance globale. Utilisez donc les solutions proposées pour optimiser vos conceptions.

Téléchargez le PDF:

Encore des questions ? N’hésitez pas à nous contacter !