Les Fluides
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DYNAMIQUE...suite
PrécisionsQuelques points intéressants avant de terminer ce chapître.
Effet Coanda : Vous faîtes la vaisselle ?
Coanda & tasse
Vous avez sûrement déjà râlé à cause de cet effet car l'eau suivait tous les contours des objets défiant la pesanteur pour tomber en dehors de l'évier (ou alors je suis très maladroit)
Alors, vous avez dû remarqué à quel point le fluide « colle » à la paroi de la tasse même s'il faut lutter contre les forces en présence (gravité par ex). L'eau ne se contente pas de suivre le 1/2 périmètre de la tasse mais "colle" pour tomber davantage sur la gauche.
Cet effet est nécessaire au vol de l'avion car il fait que les filets d'air ont tendance à suivre le profil d'aile.
L'effet Coanda peut se conjuguer avec l'effet Bernouilli : si vous tenez une cuillère et que vous l'approchez de l'eau coulant d'un robinet, la cuillère est aspirée : voir la vidéo suivante pour s'en convaincre (en anglais, pop-up, format Apple Quicktime).
Avant de passer au paragraphe suivant, signalons à tous les bricoleurs en herbe un magnifique modèle réduit d' hélicoptère - soucoupe volante fonctionnant grâce à l'effet Coanda (et les plans pour le construire). Voir aussi ce lien d'une autre méthode de construction et autres protos rigolos.
Vidéo : petite expérience avec effet Coanda
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Décrochage & insectes : En cas de décrochage, l'avion perd sa portance.
Décrochage
Cela arrive au moment où se produit ce que l'on appelle le « décrochement de la couche limite », provoqué ici par un angle d'incidence trop élevé du profil pour une vitesse assez basse.
On voit dès le début de la vidéo ce décollement de la couche limite, puis, comme l'angle d'incidence diminue, l'écoulement se rattache par effet Coanda.
Golf Dans le passé, toutes les balles
étaient lisses mais on a remarqué
que les balles usées volaient plus
loin : d'où l'apparition de balles alvéolées
Lire ce document externeProfitons en pour préciser au passage que contrairement à l'intuition, le régime turbulent est parfois préférable au laminaire pour une meilleure portance. La turbulence doit être néanmoins d'un certain type. Pour diminuer la traînée, une surface non-lisse est parfois préférable : les ingénieurs ont étudiés par exemple le système des riblets, des petites protubérances périodiques sur les surfaces plongées dans un fluide.
Les ingénieurs essaient de s'inspirer des "prouesses technologiques" de la nature : peau de requin ou forme particulièrement efficace des ailerons de baleines.
L'abeille peut voler ?
Un dernier point assez singulier : le décrochage n'est pas qu'un phénomène négatif pour le vol. Il serait même utile pour le vol des insectes qui profite de ses qualités. Pour l'anecdote, citons que dans les années 1930 un biologiste demanda à un ingénieur aéronautique suisse comment les abeilles volaient.
L'ingénieur fit quelques calculs et conclua...:
l'abeille ne peut pas voler !
Bon, en fait les journalistes ont depuis gonflé cette petite histoire ; ceux n'ont pas été les vrais propos de l'ingénieur.
Les ingénieurs s'intéressent tout particulièrement au vol des insectes acuellement car ils souhaitent réaliser des drones qui les imitent. Or, la physique du vol des insectes est très différente de celle de l'avion. Pour un avion comme un Airbus, le nombre de Reynolds est de l'ordre de plusieurs millions alors que pour un insecte, selon l'espèce et la configuration, le nombre de Reynolds varie de 10 à 10 000 !
Nageurs !Il a définitivement
été évalué et démontré que
sur des épreuves d'endurance
il est préférable de se raser les poils !Par ailleurs, on sort souvent du cadre de l'écoulement permanent, en particulier pour les libellules (qui possèdent une excellente force de sustentation, ce qui en fait un sujet d'étude fréquent). 2 faits significatifs ont été récemment découvert. D'abord on ne peut plus séparer traînée et portance car la traînée contribue à la portance ! Enfin, comme on l'a annoncé en début de paragraphes, les insectes utilisent le décrochage qui crée, juste avant son apparition, un surcroît de portance par un vortex bien placé.
C'est donc une étude très complexe et qui recherche des analogies parfois originales pour avancer : savoir comment une feuille de papier tombe en oscillant par exemple. Effet Magnus: Coupés et lifts !
On pourra pas expliquer le « pourquoi » de ce phénomène ici car cela demande trop de théorie sur la couche limite mais évoquons le « comment » de celui-ci du moins.
Vidéo : application de l'effet Magnus
Dirigeable Magnus AirshipL'effet Magnus (ou "Magnus-Robins" car ce dernier avait bien dégrossi le problème) est tout simplement l'effet de portance que peut subir un objet en rotation dans un fluide (SI ELLE TOURNE DANS LE BON SENS : l'animation ci-contre ne le montre pas assez bien mais la balle tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. Si c'était dans le sens inverse, la balle subirait un effet descendant).
Grossièrement, c'est dû au fait que la couche limite décolle moins vite en haut de l'objet en rotation qu'en bas si le sens de rotation va de bas en haut (sens aiguille d'une montre).
Concrètement, on le voit dans les effets (lift et coupé) donnés à la balle par les joueurs de Tennis, de Golf en particulier au Base-Ball (lançé de la balle vers le batteur).
Vous pouvez voir une vidéo américaine montrant l'effet sur une grande balle (format Apple Quicktime).Cet effet a aussi des applications plus sérieuses comme certains navires expérimentaux : C'est un ingénieur allemand du début du siècle dernier, Anton Flettner, qui a découvert qu'on pouvait propulser un engin avec l'effet Magnus. L'équipe Cousteau a expérimenté ce type de navire : voir l' Alcyone sur le site de Cousteau.
On a également essayé de s'en servir pour des aéronefs : le véhicule "Magnus Airship"dont vous pouvez-voir une vidéo de présentation ci-contre provient de la géniale idée de Fred Fergusson de Magenn Inc.
Le dirigeable peut soulever davantage de charge grâce à l'exploitation de l'effet magnus par la rotation de la sphère gonflée en hélium.
Cette société exploite maintenant l'effet Magnus pour des éoliennes- cerf-volant nouvelles générations capables de générer de l'électricité en altitude : c'est ce que montre la vidéo ci-dessous.Vidéo : application de l'effet Magnus
cerf-volant générateur d'électricité
haut
Ondes de chocOn rentre dans une partie un peu plus complexe mais souvent impressionnante.
Boules Quies ?
cliquez !
Pour qu'il y ait ondes de choc, il faut que le fluide soit compressible.
Une onde de choc, c'est le résultat de ce que l'on appelle une "discontinuité", c'est-à-dire une variation très brusque des paramètres qui décrivent l'écoulement (vitesse, pression, température...).
Voyons ce qui se passe pour les gaz : on ne parlera ici que de l'air et des avions pour simplifier.
Lorsqu'un avion vole en subsonique, il crée des ondes de pression qui se propagent à la vitesse du son devant lui (qui est elle même une onde de pression !).
Mach 0.5 / 1 / 1.2
cliquez !
Lorsqu'il accroit sa vitesse et qu'il se rapproche de très près de la vitesse du son (au sol ~340 m/s =~1200 km/h, à l'altitude de l'avion ~300 m/s = 1100 km/h), il rattrape presque les ondes de pression devant lui.
Lorsqu'il arrive finalement à la vitesse du son (il passe le mur du son), il engendre plusieurs ondes de choc perpendiculaires (au moins 2 : au nez et à la queue de l'avion mais parfois plus selon la géométrie de l'avion) qui fusionnent et se combinent à notre oreille et à une faible distance de l'avion en un seul "Bang !" qui peut se faire entendre à plusieurs dizaines de kms.
Enfin, lorsqu'il accroit sa vitesse et dépasse alégrement la vitesse du son, il se dessine un cône d'onde de choc dont l'angle diminue au fur et à mesure que la vitesse s'accroit encore.
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Il relève du même phénomène : |
La compression engendrée par le bang est pourtant faible en termes de pression : elle correspond à la descente de quelques étages d'un immeuble seulement mais sa manifestation acoustique vient du fait qu'elle est extrêmement soudaine.
Une erreur commune est de croire que le bang que l'on entend n'arrive qu'une fois.
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Quand zorro fait claquer son fouet |
En fait, à partir du moment où la vitesse de l'avion dépasse Mach1, le cone d'onde de choc(on voit bien ce cône sur l'animation précédente pour Mach 1.2) et le bang associé persiste continûment tout le long du vol supersonique.
Donc vous retiendrez que l'on entend le Bang quand le cone nous atteint au sol. Si l'avion fait demi-tour à, disons, Mach 1.2, on entendra encore le bang à son passage.
On le voit nettement sur la vidéo précédente : l'onde de choc est visible sur l'eau tout le long du passage de l'avion de chasse mais les marins l'entendent qu'une fois, juste après le passage, quand le cône les a atteint.
Le saviez-vous (1) ? : Le bang peut se réfléchir sur la stratosphère (Rappel : > 15 km d'altitude) et créer un bang secondaire infrasonore (Rappel : 0Hz< infrasons< 16 Hz) certes inaudible mais qui peuvent faire vibrer nos fenêtres : la trajectoire du Concorde en tenait compte !
Le saviez-vous (2) ? : Un hélicoptère ne peut dépasser 400 km/h en partie parce que ses pales avançantes approchent le mur du son.
Le saviez-vous (3) ? : Les changements de cap produisent aussi des Bangs (non continus) très puissants.
Il y a souvent aussi plusieurs ondes de choc mais leur proximité fait qu'on en entend qu'une seule. Ce n'est pas le cas de la navette spatiale américaine (Pop-up, vidéo, anglais).
Enfin, vous pouvez visualisez nettement avec cette magnifique vidéo les ondes de choc d'un obus à pleine vitesse lors d'un tir de char d'assaut (on voit aussi au début de la vidéo l'interaction entre l'onde de choc du tir explosif et celles de l'obus).
Onde de choc d'1 obus
Voir = 2 clics sur bouton / Revoir = Tirer la barre
Voyons à présent ce qui se passe dans les liquides (l'eau en particulier). Nous avons parlé du Nombre de Mach. Pour le cas de l'hydrodynamique et dans le cas de liquides peu profonds, il existe un nombre adimensionnel analogue au nombre de Mach pour l'air : le nombre de Froude Fr. La dimension à considérer pour ce nombre est dans ce cas la longueur de la carène du navire et on compare ici l'influence de l'inertie à celui de la gravité sur le système.
Froude
On peut distinguer dans ce cas différentes classes d'écoulement selon la vitesse du navire dans l'eau : fluvial, l'équivalent du subsonique dans l'air ou torrentiel, l'équivalent du supersonique dans l'air donc. On distingue alors 2 différents régimes d'écoulement. Soit Fr< 1et l'influence de la gravité ne peut être négligée: on observe la présence d'un ressaut (bourrelet d'eau à l'avant du navire). Dans ce cas, cela veut dire que les ondes provoquées
par le passage du navire peuvent aller dans le sens et plus vite que le navire. C'est le cas pour le canard de l'animation ci-contre.
Soit, au contraire, Fr> 1, et les effets dûs à l'inertie l'emportent sur ceux dûs à la gravité : on observe pas de ressaut devant le navire et les ondes sont toujours derrière ce dernier (il va plus vite que la propagation des ondes de surface). C'est le sillage en cône que vous observez sur un bateau qui navigue à une bonne vitesse (voir animation).
Coup de bélier
La compressibilité de l'eau est à l'origine des coups de belier dans l'eau. Ce sont les bruits bizarres (et parfois vibrations) dans la conduite qui se produisent lorsque l'on ferme brusquement le robinet dans les vieilles installations. Ce faisant, on crée une onde de choc (c.a.d une surpression-dépression brusque) qui fait des aller-retours très rapides entre le robinet et le réservoir avant de s'amortir progressivement.
Ces coups de bélier abîment les tuyaux bien sur et un moyen simple de les éviter est de placer des clapets d'échappement sur la conduite. Si vous voulez plus de détails, voici un site français et sérieux sur le bélier hydraulique : principe, théorie, pratique. Comme toujours des ingénieurs peuvent néanmoins trouver un intérêt pratique à ce phénomène : citons le bélier hydraulique qui agit comme une pompe.
Magnifique passage bas d'1 Tomcat
Vous voulez en savoir davantage ? : allez à la » » » » page suivante
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