Arodynamique et mcanique du vol

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Aérodynamique et mécanique du vol

• Cours n1
• La force aérodynamique

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Qu'est ce que l'aérodynamique ?
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Laérodynamique

• Laérodynamique obéit aux lois
• De la mécanique newtonienne
• De la mécanique des fluides
• Bases de la mécanique newtonienne
• Pour un objet en mouvement à vitesse constante ou
  en équilibre Sforces0
• Pour un objet qui accélère ou qui n'est pas en
  équilibre Sforcesm.?
• Bases de la mécanique des fluides
• Conservation de lénergie, de la masse, des
  débits,

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Qu'est ce qu'une force ?

• Une force s'exprime en newton (N)
• Les forces
• La force de gravité (le poids)
• La force électromagnétique (aimants)
• Les forces "dérivées" exemples
• Forces de rappels des ressorts
• La force aérodynamique
• Une force peut être localisée ou répartie
• Localisée "c'est une vue de l'esprit"
• Répartie par exemple les forces pressantes

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Qu'est ce qu'une pression ?

• La pression s'exprime en Pascal (Pa), unité
  officielle.
• Il existe une relation entre force pressante et
  pression
• F en N
• S en m²
• P en Pa

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Qu'est ce que l'énergie ?

• En mécanique, on définit
• L'énergie cinétique Ec½mv²
• L'énergie potentielle de pesanteur Epmgh
• L'énergie mécanique EmEcEp
• Sans frottement, l'énergie mécanique se conserve

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La force aérodynamique
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L'aile quelques définitions

• Pour voler un aérodyne a besoin
• D'ailes
• De vent relatif

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L'aile quelques définitions

• Parties avant et arrière de l'aile
• Avant bord d'attaque (reçoit le vent relatif
• Arrière bord de fuite
• Parties supérieures et inférieures
• Surface inférieure Intrados
• Surface supérieure Extrados (surface la plus
  bombée)

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La force aérodynamique

• Définition
• C'est une force pressante.
• Elle est perpendiculaire au flux de lair et
  orientée vers lextrados

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Quel est le principe physique de cette force ?
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Écoulements d'air et débit

• Le débit dun fluide liquide ou gaz sécoulant
  dans une canalisation quantité de ce fluide qui
  traverse une section droite de lécoulement par
  unité de temps.
• Loi de conservation du débit volumique il ne
  peut pas y avoir accumulation de liquide en un
  point quelconque du circuit le débit a donc une
  valeur constante à travers toute section droite
  du tuyau, d'où
• S1.V1 S2.V2 constante

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Relations de conservation

• A partir de 2 relations de conservation
• Conservation du débit
• Le débit s'exprime en m3/s
• À débit constant S1V1S2V2
• Conservation de l'énergie mécanique

S2
V2
S1
V1
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Bernoulli et le tube de Venturi

• On obtient la relation de Bernoulli
• ½ ?V² Ps constante
• Quand la vitesse du fluide augmente, sa pression
  diminue.

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Écoulements et pressions

• Une aile se comporte donc comme un tube de
  Venturi
• Les filets d'air supérieurs et éloignés ne sont
  pas perturbés par la voilure, ils forment la
  partie supérieure du tube
• Les filets d'air proches de la voilure épousent
  celle-ci, et forment avec elle la partie basse du
  tube

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Pressions et forces

• La vitesse des filets d'air à l'extrados augmente
  à cause la courbure
• Une dépression est créée à l'extrados et une
  surpression à l'intrados l'aile est aspirée
  vers le haut.
• 70 de la portance est fournie par la dépression
  de l'extrados.

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Étude de la force aérodynamique
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Paramètres le profil

• Profil 1 plaque plane

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Paramètres le profil

• Profil 2 3 des plaques incurvées

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Paramètres le profil

• Conclusion
• La forme du profil influe beaucoup sur la
  portance.
• En pratique un profil possédant une certaine
  épaisseur est plus efficace qu'un simple plan
  incurvé.
• La distance entre l'intrados et l'extrados est
  l'épaisseur.
• On définie l'épaisseur relative 

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Paramètres le profil

• Exemples de profils
• Plan convexe
• utilisé en aviation générale
• Biconvexe dissymétrique
• Utilisé dans l'aviation de loisir.
• Cambré (ou creux)
• Biconvexe symétrique
• pour les gouvernes et la voltige
• Autostable
• Utilisé pour les ailes delta

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Paramètres la vitesse

• Principe de la manipulation
• Maquette placée sur une balance (dynamomètre)
• Soumise à une soufflerie vitesse variable

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Paramètres la vitesse
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Paramètres la vitesse

• Conclusion
• L'expérience montre que la force appliquée au
  dynamomètre diminue lorsque la vitesse de
  l'écoulement augmente.
• La valeur de cette force augmente lorsque la
  vitesse augmente.
• Elle est proportionnelle au carré de la vitesse
  de l'écoulement.

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Portance et trainée
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Traînée et Portance

• La force aérodynamique peut être décomposée en
  deux forces différentes
• La portance perpendiculaire à la direction de
  l'écoulement.
• La traînée parallèle à l'écoulement.

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Étude de la trainée la forme

• Principe de l'expérimentation
• Deux mesures de force
• Plusieurs formes de même surface frontale (maître
  couple)

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Étude de la trainée la forme
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Étude de la trainée la forme

• Conclusion
• La traînée est très dépendante de la forme

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3
4
1
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Étude de la trainée vitesse

• Principe de l'expérimentation
• Dispositif identique
• Vitesse d'écoulement variable

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Étude de la trainée vitesse
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Étude de la trainée vitesse

• Conclusion
• Plus la vitesse est importante et plus la traînée
  augmente.
• En fait, la traînée est proportionnelle au carré
  de la vitesse.

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Étude de la trainée allongement

• Définition de l'allongement c'est le rapport
  entre le carré de son envergure (L) et sa surface
  alaire (S surface des ailes).

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Étude de la trainée allongement

• Influence de l'allongement sur la trainée
• Plus lallongement est important et plus la
  traînée induite (et donc la traînée) diminue.
• Les avions de ligne et les planeurs ont de grands
  allongements et la présence de winglets permet de
  diminuer la traînée induite de façon
  significative.

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Expressions Traînée et Portance

• Portance P½.?.V².S.Cz
• Elle saccroît avec la vitesse et sexerce
  perpendiculairement au vent relatif.
• Traînée P½.?.V².S.Cx
• C'est une force qui soppose au mouvement, cest
  la résistance à lavancement.
• Elle saccroît avec la vitesse et sexerce dans
  la direction opposée à la vitesse.
• Pour voler à une vitesse constante il faut
• Une force de propulsion fournie par son moteur
• Une perte dénergie potentielle, dans le cas des
  planeurs.

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L'incidence
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L'angle d'incidence

• C'est l'angle formé entre la direction du vent
  relatif et la corde de laile.
• On le note i ou a (alpha)

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Remarque le décrochage

• Le décrochage de l'aile d'un aérodyne est la
  perte de portance.
• Il a lieu lorsque les filets d'air se décollent
  de l'extrados de l'aile.

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Centre de poussée et incidence

• Le centre de portance (point dapplication de la
  portance) se situe entre 30 et 50 de la corde
  depuis le bord dattaque.
• La position du centre de portance avance quand
  lincidence augmente. Il avance jusquà
  lincidence de décrochage puis recule.

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Foyer et incidence

• Le foyer (point dapplication des variations de
  portance) se situe entre 20 et 30 de la corde
  depuis le bord dattaque.
• La position du centre de portance avance quand
  lincidence augmente. Il avance jusquà
  lincidence de décrochage puis recule.
• Position du foyer varie peu en fonction de
  l'incidence.

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Vitesse et incidence

• À vitesse donnée la portance de l'aile augmente
  avec l'incidence, jusqu'à l'incidence de
  décrochage.
• Le décrochage se produit toujours à la même
  incidence.

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La polaire d'une aile
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Les coefficients Cx et Cz

• Les valeurs des coefficients Cz et Cx varient
  avec l'angle d'incidence ? (ou i).
• On remarque CzgtgtCx

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Portance et Trainée

• La portance (Rz) et la trainée (Rx) varient
  logiquement avec l'angle d'incidence.

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Polaire d'une aile

• On peut rassembler les deux courbes en une seule,
  en traçant pour un profil donné le Cz en fonction
  du Cx.
• La courbe obtenue s'appelle la polaire Eiffel du
  profil.

Exemple n1 extrait dune polaire
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Polaire points remarquables

• Cx
• Traînée minimum
• Cz
• Cz max
• Cz nul
• Décrochage
• Vol inversé
• Finesse max
• (ou Maxi Range)
• Obtenu par la tangente à la courbe

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Points remarquables

• Les points remarquables sont
• 1 - portance nulle
• 2 - Traînée mini
• 3 - Rz/Rx maxi
• 4 - Portance maxi
• 5 - Décrochage

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Autre polaire

• La polaire d'un planeur Vz en fonction de Vx

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Polaire la finesse

• La finesse permet de quantifier les performances
  aérodynamique d'un aéronef

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Modifications de la portance et de la trainée en
aviation
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Augmenter la portance

• Les dispositifs hypersustentateurs sont des
  surfaces mobiles dont la fonction est de modifier
  la forme de laile afin den augmenter la
  portance. Ils sont généralement constitués de
• volets de courbure situés au bord de fuite
• et/ou de becs situés au bord d'attaque

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Augmenter la portance

• Les volets de courbure peuvent être positionnés
  de plusieurs façons
• Ils sont utilisés en positifs pour les phases de
  vol à basse vitesse (atterrissage ). Conséquence
  la trainée augmente
• Ils sont aussi utilisés en négatif pour diminuer
  la courbure et permettre une vitesse de vol plus
  élevée.

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Augmenter la portance

• Le bec de bord dattaque prolonge vers lavant la
  forme du profil de laile. Cette action a pour
  conséquence une augmentation de la portance.

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Diminuer la portance

• Un spoiler est un dispositif situé au dessus de
  l'aile (extrados) permettant de détruire plus ou
  moins la portance de celle-ci par décollement de
  la couche limite.

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Augmenter la trainée

• Un aérofrein est un dispositif permettant de
  créer une traînée supplémentaire visant à freiner
  l'avion.
• Des surfaces sortent de la cellule de l'avion et
  viennent se braquer dans le flux d'air circulant
  autour de l'appareil.