Séparation de couche limite

Il y a séparation (ou décollement[1]) de la couche limite se développant sur un corps lorsque les lignes de courant contournant ce corps ne suivent plus la paroi de ce corps. Ceci peut arriver :

1. Si le corps présente une discontinuité géométrique (des formes trop abruptes ou anguleuses) : on parle alors de "décollement inertiel"[2] ;
2. Si, les formes du corps étant suffisamment tendues, la couche limite est confrontée à un gradient de pression adverse. On parle alors de séparation par « gradient de pression ».

Le premier type de séparation (ou décollement) s'observe à l'arrière d'un corps qui se termine brutalement (par une section vive), comme le fuselage cylindrique d'une fusée qui se termine par un culot. Comme les lignes de courant qui longent ce fuselage ne peuvent prendre un virage à angle droit, elles continuent tout droit par inertie. Le même phénomène se produit lorsqu'un corps plan est creusé d'une cavité : les lignes de courant passent au-dessus de cette cavité (sans y descendre) et retrouvent la paroi du corps en aval de celle-ci.

Le deuxième type de séparation peut se produire alors même que la surface du corps a très peu de courbure (comme à l'arrière d'un profil d'aile). Ce type a été plus difficile à comprendre par les premiers mécaniciens des fluides ; Ludwig Prandtl l'a expliqué à propos de la crise de traînée de la sphère et du cylindre.

L’exemple le plus simple de ce type est le décollement de couche limite qui se produit au franchissement de l’arête du culot d’une remorque de poids lourd : l’écoulement ne peut prendre ce virage à angle droit, il continue donc tout droit par inertie en laissant à l'arrière de la remorque une zone d’eau morte dépressionnaire[n 1]. Les décollements sur les marches montante et descendante sont un autre exemple (première image de la galerie ci-dessous). L'animation d'un courant d'eau dans du sable (deuxième image) donne un exemple du décollement en aval d'une marche descendante.

Le fait que l’écoulement décolle inertiellement sur une arête vive ne signifie cependant pas qu’il ne peut pas se réattacher un peu plus en aval à la surface du corps (on dit aussi "se recoller" ou "recoller"[1]). C’est ce que l’on observe sur les marches montante et descendante et dans le deuxième cas de la troisième image ci-dessous (écoulement 2D sur un pentagone[3]), où l’écoulement se réattache juste avant l’arête suivant celle ayant suscité le décollement (ceci au Reynolds transversal 10 000).

On observe également ce type de décollements inertiels au franchissement des arêtes vives des faces avant de poids-lourds.

Le décollement au franchissement de ces arêtes vives fait naître une poche d’eau morte[n 1] immédiatement en aval de la face avant, cette poche augmentant la largeur vue par l’écoulement du véhicule et dégradant donc son ${\displaystyle C_{x}}$.

On prévient la formation de ces poches d’eau morte par le montage d’aubages de redirection qui approvisionnent ces poches d’eau morte dépressionnaires avec de l’air en surpression capté sur la face avant du véhicule (voir images ci-dessous).

Ainsi que le signale Hoerner dans son ouvrage Drag, les aubages de redirection placés à l'avant d'un corps, en plus de prévenir la formation de poches d’eau morte, sont l'objet d’efforts aérodynamiques qui tendent à tirer le véhicule en avant, diminuant encore la traînée[4] - [5].

La dernière image de la galerie ci-dessous illustre la poche d'eau morte qui se forme immédiatement en aval de la tête plate d'un cylindre placé axialement dans un écoulement. Ce cylindre à tête plate se comporte comme une marche montante de révolution : la poche d'eau morte qui se forme est relevée longue de 1,5 à 1,6 diamètres aux Reynolds allant de ${\displaystyle 6\;10^{4}}$ à ${\displaystyle 5\;10^{5}}$.

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  Décollement sur marche montante et descendante.
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  Exemple de décollement en aval d'une marche descendante.
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  Écoulement sur la section d'un pentagone selon sa présentation, au Reynolds transversal 10 000 (noter le réattachement pour la deuxième présentation).
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  Aubages de redirection sur des corps 2D mal profilés, d'après Hoerner, les ${\displaystyle C_{x}}$ avec ou sans aubages sont indiqués.
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  Aubage redirecteur posé à l’avant d’un camion.
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  Poche d'eau morte en aval de la tête plate d'un cylindre présenté axialement.

Le même phénomène de décollement inertiel avec réattachement en aval se produit lorsqu'un corps profilé est creusé d'un trou ou d’une cavité : les lignes de courant passent par-dessus cette cavité (sans y descendre) et se réattachent à la paroi du corps immédiatement en aval de la cavité. Hoerner indique à la page 89 de l’édition française de son ouvrage Drag[4] que « les trous cylindriques percés dans le revêtement d’un avion présentent une traînée relativement petite, correspondant à un coefficient de traînée de l’ordre de ${\displaystyle C_{x\pi D^{2}/4}=0,01}$ (${\displaystyle C_{x\pi D^{2}/4}}$ étant le ${\displaystyle C_{x}}$ basé sur la section du trou, soit ${\displaystyle \pi D^{2}/4}$ s’il s’agit d’un trou de diamètre ${\displaystyle D}$) ».

Le phénomène de décollement inertiel se produit de même au-dessus des cavités rectangulaires percées dans le revêtement d’un avion ; les travaux de divers chercheurs, indiquent que ces cavités rectangulaires présentent un ${\displaystyle C_{x}}$ alaire[n 2] qui peut être 4 à 6 fois plus fort que le Coefficient de friction ${\displaystyle C_{f}}$ local tel qu’il aurait été mesuré en l’absence de la cavité[n 3]. Ce coefficient multiplicateur (4 à 6) diminue d’ailleurs pour les cavités plus profondes du fait de la mise en place d’un système de tourbillons fixes.

Les joints de portes et de haillon d’automobiles sont des exemples de telles cavités au-dessus desquelles se produit un détachement inertiel de l’écoulement, ainsi que, à plus grande échelle, les passages de roues (avant et arrière) des automobiles.

L’écoulement au-dessus de telles cavités peut être légèrement amélioré en arrondissant l’arête aval (mais il est beaucoup dégradé si l’on arrondit l’arête amont).

Un autre exemple de détachement inertiel est le détachement en saute-vent qui se produit en aval du pare-brise d’une voiture décapotable : l’écoulement passe au-dessus de l’habitacle (ouvert) et des passagers.

Lorsque le pilote d’un aérodyne (avion, planeur) désire diminuer sa vitesse, il sort (plus ou moins) ses aérofreins. Ceux-ci provoquent le décollement de couche limite avec création d’une zone d’eau morte dépressionnaire à l’aval du frein, cette dépression augmentant notablement la traînée.

Écoulement en aval d'un disque précurseur pour Cx minimal, d'après Koenig.

Dans sa thèse[8] - [9], Keith Koenig a prouvé que le ${\displaystyle C_{x}}$ d'avant corps d'un cylindre circulaire de diamètre ${\displaystyle D_{2}}$ pouvait passer de ${\displaystyle 0,7}$ à ${\displaystyle \approx 0,01}$ par l'installation d'un disque précurseur de diamètre ${\displaystyle D_{1}=0,75D_{2}}$ entre ${\displaystyle 0,25}$ et ${\displaystyle 0,50D_{2}}$ devant la face avant de ce cylindre (le disque précurseur étant tenu par une hampe de petit diamètre). Le tourbillon torique qui s'installe entre le disque précurseur et la face avant du cylindre (image ci-contre) crée une sorte de tapis roulant qui carène l'ensemble.

Une autre utilisation des décollements de couche limite est la création, à l’arrière des poids lourds, de culot en marches successives. De même que dans les travaux de Koenig[8], des tourbillons toriques s’installent à demeure dans la concavité créée par chaque marche et se comportent comme des tapis roulants qui assurent le rétreint[n 5] des lignes de courant derrière le poids lourd.

Différents procédés peuvent conduire à une suppression ou une limitation des décollements de couche limite, les procédés passifs (installation de turbulateurs, de déflecteurs ou de vannes de redirection) et les procédés actifs (soufflage de la couche limite, dispositifs piézo-électriques, etc.)

Comme d'habitude en mécanique des fluides, c'est encore un nombre sans dimension, le nombre de Reynolds, qui régente tous les cas évoqués dans cet article. Ici encore, on peut dire "À même nombre de Reynolds, même écoulement sur la même forme[n 6]". C'est-à-dire qu'à mêmes nombres de Reynolds, deux écoulements sur une même forme manifesteront la même tendance au décollement de leur couche limite (ou au non-décollement).