Soufflerie

Le manège aérodynamique de Robins.

La soufflerie de Tsiolkovski.

Balance aérodynamique (ou moulinet) du Colonel Renard

Les premières expériences visant à observer les effets de l'écoulement de l'air sur des corps ont été faites soit par chute libre (par Isaac Newton et Desaguliers)[1] - [2] soit avec des manèges, notamment par Benjamin Robins avant 1742 (image de droite) ou 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 (animation de gauche), 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) 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.
• 
  Schéma de la soufflerie à densité variable et de son système de mesures.
• 
  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 :

• souffleries de « type Eiffel », à circuit ouvert :
  • soufflerie de Gustave Eiffel construite en 1912 rue Boileau à Auteuil, qui est toujours en exploitation[8]) ,
  • soufflerie de Banlève à l'institut de mécanique des fluides de Toulouse ;
• souffleries à retour, en circuit fermé :
  • 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 tranquilisation 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 peuvent être vues comme 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 à fumées permettant de visualiser les lignes de courant d'un écoulement ;
• 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.

La grande soufflerie de Chalais-Meudon, voulue par l'ingénieur Ministre Albert Caquot, conçue par L'ingénieur Lapresle et réalisée en béton armé par G Le Marec fut inaugurée en 1935, une des plus puissantes du monde à l'époque, elle pouvait contenir un avion de chasse monomoteur à l'échelle 1 et le tester avec une vitesse de veine de 180 Km/H[32].

Devenue obsolète à la fin des années 60 elle fut désaffectée en 1970 après avoir servi à tester certains éléments du Mirage III.

Dernier cri de la technique aéronautique d'avant guerre, elle figure en bonne place dans un album de Bande dessinée de Hergé : Le testament de Mr Pump de la série des Aventures de Jo, Zette et Jocko, on y assiste aux essais aérodynamiques du "Stratonef, avion révolutionnaire pour l'époque (fortement inspiré des avions de vitesse Caudron Renault) supposé capable de rejoindre New-York à plus de 1000 Km/h de vitesse moyenne. L'infortuné singe Jocko, animal de compagnie des deux jeunes héros de l'histoire, qui a eu la malencontreuse idée de grimper sur l'aile avant un essai, y attrape un rhume carabiné[33].

• 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 :

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

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• Soufflerie climatique Jules Verne du CSTB
• Soufflerie d'Avrieux (ONERA)
• Les souffleries de la NASA
• Souffleries du continent américain