Figure 132. Polaires du coefficient de portance Cy pour un écoulement naturel (OFF) et un écoulement contrôlé (ON ; UHT = -
20 kV), Re = 1000; Comparaison du coefficient de portance aux résultats d’une simulation DNS sur un profil NACA0012 (Serson [51] 2017) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Cy Incidence (°) OFF (NACA0015) ON (NACA0015)
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Les polaires de portance présentées sur la Figure 132, révèlent un comportement différent entre l’écoulement naturel et l’écoulement contrôlé. La polaire de l’écoulement naturel montre une croissance de la portance entre 0° (Cy = - 0,03) et 12° jusqu’à une valeur maximale de 0,46 puis une chute de portance de l’ordre de 26 % entre 12° et 13° suivie d’un plateau autour de 0,34. Cette évolution de la portance coïncide parfaitement avec la courbe de portance de Serson [51] (2017), issue d’une DNS sur un écoulement autour d’un profil NACA0012 à Reynolds 1000, jusqu’à 12°.
Pour l’écoulement contrôlé, on observe une croissance de la portance continue entre 0° (Cy=0) et 14° (Cy = 0,97). À cette incidence maximale, le gain de portance par rapport à l’écoulement naturel atteint 185 %. Cependant, le gain maximal en portance est à considérer avec prudence. En effet, lorsque l’incidence augmente, les fluctuations u’ et v’ augmentent et le tenseur des fluctuations de Reynolds 〈𝑢′𝑣′〉 devient plus important. Aux grands angles, il devient nécessaire d’intégrer ce terme de fluctuations dans l’équation de Navier-Stokes pour le calcul de la force, afin de refléter sa contribution à la portance. Finalement, il est probable que les portances de l’écoulement naturel aux angles supérieurs à 12° soient légèrement sous-estimées du fait que l’on néglige les forces de fluctuations dans l’équation de Navier-Stokes. D’autre part, bien que les valeurs de portance semblent adopter un comportement linéaire, elles sont plus dispersées et leurs écarts-types sont plus élevés que pour l’écoulement naturel. La dispersion moyenne représentée par l’écart-type pour l’écoulement naturel est de l’ordre de ± 0,05, tandis que pour l’écoulement contrôlé, la dispersion moyenne est de l’ordre de ± 0,10. L’actionneur IBD semble donc influencer les orientations des lignes d’émission tourbillonnaires qui sont parfois proches du profil et parfois éloignées (phénomène de « flapping »). Ce phénomène de battement irrégulier des lignes d’émission tourbillonnaire induit des fluctuations de portance.
Figure 133. Polaire de portance (Cy) de l’écoulement naturel illustrée par les champs moyens de vitesse à 0°, 12° et 14° (en
165 La Figure 133 représente la polaire de portance de l’écoulement naturel autour du profil d’aile, illustrée par les champs moyens de vitesse. Comme cela a été observé (cf. partie IV.2.1.1), le sillage en aval du profil d’aile à incidence nulle n’est pas exactement symétrique ; la valeur de portance légèrement inférieure à zéro (Cy = - 0,03) confirme donc cette observation. À 12° d’incidence, la portance est maximale (Cy = 0,46) et l’on observe une zone de recirculation large qui couvre tout l’extrados du profil d’aile jusqu’à x/C ≈ 1,3. L’épaisseur maximale de la zone de recirculation mesure environ 0,3C à x/C = 0,7 (cf. Figure 134 (a)). À 14° d’incidence, la portance a chuté de 26 % par rapport à la portance maximale. La zone de recirculation y est légèrement moins large qu’à 12° d’incidence, car elle ne s’étend plus que jusqu’à x/C ≈ 1,2. L’épaisseur maximale de la zone de recirculation mesure environ 0,35C à x/C = 0,7 (cf. Figure 134 (b)).
(a) (b)
Figure 134. Epaisseur des sillages à 12° (a) et à 14° (b)
La zone de recirculation après la chute de portance qui s’opère à 13° est donc plus épaisse et moins longue qu’à l’incidence où la portance est maximale à 12° (cf. Figure 134). Enfin le point de décollement de la couche limite à 12° est positionné à 0,26C du bord d’attaque tandis qu’à 13° d’incidence le décollement de couche limite s’observe à 0,24C. Le point de séparation de la couche limite semble remonter légèrement entre 12° et 14°. Cet épaississement de la recirculation est lié à un battement selon y de la ligne d’émission tourbillonnaire, qui a pour conséquence une variation aléatoire de la portance. Plus précisément, lorsque la ligne d’émission s’éloigne de la paroi du profil, la portance diminue. Inversement lorsque la ligne d’émission se rapproche du profil, la portance augmente.
Les fluctuations de vitesse augmentant avec l’incidence, on devrait observer une augmentation de la portance globale. Or on observe une réduction brusque de cette dernière, ce qui nous amène à penser que le terme du tenseur des fluctuations de vitesse, qui n’est pas pris en compte dans le calcul de la force, est peut-être à considérer à partir de 13° d’incidence. La Figure 135 représente la polaire de portance de l’écoulement contrôlé (UHT = - 20 kV) autour du profil d’aile NACA0015, illustrée par les champs moyens de vitesse aux incidences 0°, 12° et 14°. À 0° d’incidence, la portance est nulle ce qui confirme l’observation faite dans la partie IV.3.1.1 sur le caractère parfaitement symétrique des lignes de courant par rapport à l’horizontale y/C = 0. À 12° d’incidence, le décollement de la couche limite apparaît à 0,11C du bord d’attaque ce qui est beaucoup plus tôt que pour l’écoulement naturel (0,27C). D’autre part, la zone de recirculation est légèrement bombée et plus proche du profil que dans le cas
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naturel. Son épaisseur maximale atteint 0,12C tandis qu’elle est de 0,30C pour l’écoulement naturel. Elle s’étend du point de décollement de la couche limite (0,11C du bord d’attaque) à x/C ≈ 0,8 et est donc moins longue que la zone de recirculation de l’écoulement naturel. Cette observation indique probablement que l’actionneur IBD modifie la position de la ligne d’émission tourbillonnaire. Cela a pour conséquence d’induire des fluctuations de portance et de créer une zone de recirculation bombée lors du calcul du champ moyen.
Figure 135. Polaire de portance (Cy) de l’écoulement contrôlé, illustrée par les champs moyens de vitesse à 0°, 12° et 14°
(en médaillon); Re = 1000 ; Uinf = 4,5 cm/s ; UHT = - 20 kV
À 14° d’incidence, la zone de recirculation est moins grande que celle de l’écoulement naturel. Elle s’étend du point de séparation de l’écoulement (0,17C du bord d’attaque) à x/C ≈ 0,75 et est proche de la paroi du profil. Son épaisseur maximale est d’environ 0,14C ce qui est plus de 2 fois inférieur à l’épaisseur maximale de la zone de recirculation de l’écoulement naturel. Cette zone de recirculation est légèrement bombée au niveau du point de décollement ce qui semble indiquer que des tourbillons sont émis depuis ce point et interagissent avec la paroi. En suivant le profil ils modifient la distribution de pression favorablement pour augmenter la portance.