Notions d’aérodynamique. Troisième partie.

Après avoir présenté les principaux paramètres d’un profil NACA dans la seconde partie de cette petite présentation d’éléments d’aérodynamique, nous allons maintenant parler de l’influence de chaque paramètre.

PROFIL SIMPLE

Dans ce qui suit, on considère un profil NACA simple. On notera que souvent les monoplaces ont des profils doubles ou triples à l’arrière parfois quadruples alors que les profils sont simple ou doubles à l’avant. Nous reviendrons plus tard sur les profils composés.

L’envergure

Plus une aile a de l’envergure, plus elle donne de l’appui et plus elle génère de traînée. Attention, on parle de trainée globale car pour un profil donné, plus l'envergure est grande plus de coefficient de trainée diminue (voir le paragraphe rapport d'aspect.)

Pour une monoplace, l’appui à l’arrière n’est pas proportionnel à la largeur de l’aile parce que la partie centrale de l’aile subit beaucoup de perturbations de flux d’air que les saumons ne subissent pas.

Généralement, ce paramètre est règlementé ce qui empêche d’agir dessus, sauf si on cherche à la réduire.

La corde

Toutes autres choses étant égales par ailleurs, plus la corde est grande, plus l’aile donne de l’appui. La corde est généralement libre. Par contre, souvent la réglementation impose une cote de dépassement maximal en arrière de l’axe des roues arrières. On a vu que pour un profil NACA donné, la corde conditionne l’épaisseur.

Le rapport d’aspect

C'est le rapport de l’envergure divisé par la corde. Á surface égale, Plus le rapport d’aspect est grand, plus l’aile donne de l’appui. A appui égal, plus l'aile a un rapport d'aspect grand, plus la trainée est faible. On a donc intérêt à installer des ailes aussi larges que le permet la règlementation. les graphiques ci-dessous montrent les variations de coefficient d'appui, de coefficient de traînée et de rendement pour un profil qui aurait un coefficient d'appui de 0,266 et un coefficient de trainée de 0,0906 lorsqu'il a un rapport d'aspect de 2.

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L’épaisseur

Compte tenu de ce qui est écrit juste au-dessus, une aile de corde identique et d’épaisseur différente a forcément un profil différent. Généralement, un profil plus épais donne plus d’appui et plus de traînée qu’un profil moins épais. Mais ça n’est pas toujours vrai. En fait, l’augmentation de l’épaisseur d’un profil rapporte plus pour de faibles angles d’incidence que pour de forts angles.

L’angle d’incidence

C’est généralement le paramètre qu’on modifie pour adapter le comportement d’une auto de course. En partant d’un angle d’incidence nul, l’augmentation de l’angle d’incidence augmente l’appui et la traînée. Mais il existe une limite au-delà de laquelle l’appui à tendance à diminuer alors que la traînée continue d’augmenter. Chaque profil a sa propre limite. En règle générale, la limite est plus vite atteinte sur un profil épais que sur un profil moins épais.

Il est très important de bien comprendre que l’angle d’incidence se mesure entre le flux d’air et la ligne qui relie bord d’attaque et bord de fuite. Á l’avant, le flux d’air est horizontal, sauf lorsqu’on suit une autre voiture. Á l’arrière ce n’est généralement pas le cas. Par conséquent si on cherche à déterminer l’angle d’incidence optimal avec des données de la NACA ou par simulation numérique, il faut connaître l’angle sous lequel arrive le flux d’air sur l’aile arrière. Pour celui qui dispose de faibles moyens, la technique des brins de laine tenus par du ruban adhésif peut apporter des renseignements précieux. Cette technique est facile à utiliser : on colle les brins de laine, on fait rouler l’auto et on fait faire des photographies en mouvement par un aide. Sur les photos, on peut voir la direction prise par les courants d’air. Il y a quelquefois de grosses surprises. Je me rappelle avoir mis un drapeau à l’arrière d’une moto. Et lorsque la moto roulait, le drapeau s’orientait vers l’avant à cause de la dépression crée derrière le dos du pilote. C’était évident, mais on n’y avait pas pensé avant…

Ci-dessous, trois graphiques donnant la portance (en ordonnée) en fonction de l’angle d’incidence de trois profils dont l’épaisseur varie. Le premier a une épaisseur égale à 12 % de sa corde, le second 18 %, le troisième 24 %. En haut on peut voir les profils respectifs.

Les calculs sont faits pour un Nombre de Reynolds de 100 000, ce qui correspond au cas d'une aile de 30 cm de corde travaillant avec un vent de 50 m/s soit 180 km / h.

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Le premier constat qu’on peut faire est que les trois profils peuvent donner de l’appui même lorsque l’angle d’incidence est faiblement négatif. Comme cela a été expliqué précédemment c’est lié au fait que ces profils ne sont pas symétriques.

Le second constat, valable pour les trois profils est une diminution de l’appui pour les angles d’incidence les plus forts. En effet, lorsque l’angle d’incidence devient trop fort, les filets d’air ont du mal à rester collés à la paroi de l’aile. Dans ce cas, l’air n’a plus de vitesse au voisinage de la paroi. Par conséquent localement le terme ½ ρ V² est nul au voisinage de la paroi. Il n’y a donc plus d’effet aérodynamique. Ce phénomène est appelé décrochage.

Le troisième constat est que plus le profil est épais (tous ces profils ont des cambrures identiques) plus l’appui peut être important. Un profil plus épais peut être placé sous un angle d’incidence plus grand sans décrocher.

L'illustration ci dessous montre des profils de dimensions identiques à celles des précédents mais avec une cambrure deux fois plus prononcée.

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Le premier constat qu'on peut faire est que l'appui donné par ces profils plus cambrés est plus important que celui donné par les profils moins cambrés.

On remarquera aussi que ces profils sont plus tolérants vis à vis des angles d'incidence négatifs puisqu'ils ne donnent que très peu de portance.

On serait tenté de penser qu'il est donc préférable de choisir un profil épais et fortement cambré. Cela peut être une bonne solution si on recherche l'appui maximal. Mais ce sera au détriment de la trainée.

Les quatre images suivantes montrent les champs de vitesses et indiquent les coefficients de traînée (Cx).

L'angle d'incidence n'est pas visible sur les images où on considère que le flux d'air arrive de manière oblique sur un profil toujours horizontal. Respectivement :

Le profil NACA 2412 à 0° (Cx = 0,010)

le profil NACA 2412 à 10 ° (Cx = 0,053),

le profil NACA 4424 à 0° (Cx = 0,02598)

le profil NACA 4424 à 10 ° (Cx = 0,11455)

Entre les deux cas extrêmes, l'appui est multiplié par 5 et la trainée par plus de 11.

PROFILS MULTIPLES

Souvent, on associe deux, (trois, ou quatre) profils l'un derrière l'autre. On obtient ainsi plus d'appui pour le même encombrement. L'expérience montre que correctement implantés et sous de forts angles d'incidence, deux profils peuvent avoir un meilleur rendement qu'un seul. Par rendement on entend le ratio déportance / traînée.

Bien que ce ne soit pas une obligation, souvent le profil utilisé pour le volet est du même type que celui employé pour l'aile principale, mais avec une corde plus petite.

Généralement, la corde du volet est comprise entre 25 et 30 % de la corde du profil principal. On peut aller jusqu'à 40 % au maximum pour obtenir plus d'appui, mais ce sera au détriment de la traînée.

La corde du profil composé est mesurée du bord d'attaque du profil principal au bord de fuite du dernier volet.

L'angle d'attaque est mesuré par rapport à la corde de l'ensemble.

Le bord d'attaque du volet doit être placé en amont du bord de fuite du profil principal. Des valeurs de recouvrement de 1 à 4% de la longueur de la corde sont usuelles.

Il faut impérativement laisser un espace entre le volet et le profil principal. Dans le cas contraire, les filets d'air décollent du volet et l'aile décroche.

Cet espace doit être compris entre 1 et 2 % de la corde de l'ensemble.

Pour le réglage, on a le choix entre pivoter seulement le volet ou pivoter l'ensemble.

Les courbes ci-dessous sont basées sur les travaux de Simon Mc Beath en simulation 3 dimensions.

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Suite de l'article : L'effet de soldisponible en cliquant sur ce lien.

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