Figure 3.4 – Photographie d’un condor lors d’un atterrissage (Photographie de N. Mazellier). la soie est ajust´ee. Ce volet est ensuite fix´e `a l’extrados d’un profil NACA 2412 et plac´e en soufflerie. Leurs r´esultats montrent que la pr´esence du volet retarde le d´ecrochage et modifie la distribution de pression moyenne sur l’extrados du profil. Bechert et al. [17] ont propos´e un dispositif de contrˆole ´
equivalent sous forme de volets compos´es de plastique souple ou de fines feuilles m´etalliques. Ils ont ainsi observ´e exp´erimentalement une augmentation de la portance moyenne de 18% en soufflerie et de 11,4% lors d’essais en vol. Utilisant cette fois des volets en aluminium, Schatz et al [133], ont obtenu exp´erimentalement et num´eriquement une augmentation de portance moyenne ´equivalente `a celle de Bechert et al. [17]. Ils montrent ´egalement que pour un volet ayant une position angulaire fixe, une augmentation de la portance moyenne plus importante peut-ˆetre obtenue, comme illustr´e sur la figure 3.5(b) qui repr´esente la valeur du coefficient de portance en fonction de l’angle d’incidence. De plus, les r´esultats de leurs calculs num´eriques URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes) montrent que la pr´esence du volet influence la dynamique de l’´ecoulement. En effet, d’apr`es leur calcul, le nombre de Strouhal augmente l´eg`erement par rapport au profil non contrˆol´e que les volets soient mobiles ou non. Plus r´ecemment, Wang et Schl¨uter [156] se sont ´egalement int´eress´es `
a l’effet de diff´erents param`etres tels que la longueur, la largeur et la position de volets en fibre de carbone scotch´es sur l’extrados d’un profil SD8020 en Balsa. Ils obtiennent pour leur configuration de meilleurs performances a´erodynamiques lorsque les volets couvrent la quasi totalit´e de l’envergure de leur mod`ele et sont plac´es au 2/3 de la corde du profil. Enfin, Mazellier et Kourta [93], ont obtenu pour un volet constitu´e d’une armature en plastique recouverte de soie appliqu´e `a un profil NACA0015, une am´elioration de la finesse (rapport entre portance et traˆın´ee moyenne) pouvant atteindre 20%. Ils montrent ´egalement que la topologie de l’´ecoulement `a grande ´echelle est significativement modifi´ee par la pr´esence de l’actionneur.
En se basant sur le mˆeme principe, Favier et al. [49] ont r´ealis´e, quant `a eux, l’´etude num´erique d’un pelage d´eformable recouvrant une partie de la surface d’un cylindre circulaire (voir figure 3.6). Pour leur configuration optimale, ils obtiennent simultan´ement une r´eduction de la traˆın´ee moyenne de 15% et des fluctuations de portance de 44%. Ils mettent ´egalement en ´evidence un ph´enom`ene
(a)
(b)
Figure 3.5 – (a) Sch´ema de principe du dispositif de contrˆole de Schatz et al. `A gauche, `a faible incidence, le volet n’est pas activ´e et reste coll´e `a la paroi du profil. Avec un angle d’incidence plus important, le volet se soul`eve de la paroi et oscille autour d’une position angulaire moyenne. (b) Coefficient de portance en fonction de l’angle d’incidence d’un profil HQ17 muni de volets statiques et mobiles. Source : [133]
de couplage entre l’´ecoulement et les cils du pelage. Ces r´esultats num´eriques ont ´et´e partiellement confirm´es par l’´etude exp´erimentale de Kunze et Br¨ucker [82]. Leurs r´esultats sugg`erent une r´eduction des fluctuations de vitesse longitudinale et verticale de 42% et 35% respectivement et confirment l’existence d’un couplage entre les cils et la dynamique du sillage. De plus, ils montrent l’existence d’un r´earrangement du lˆacher tourbillonnaire. Au lieu de former une all´ee du type Von-K´arm´an, les tourbillons sont ´eject´es sur la ligne centrale derri`ere le cylindre.
Les ´etudes d´ecrites pr´ec´edemment illustrent les effets de l’utilisation de dispositifs de contrˆole qui s’inspirent du soul`evement des plumes des oiseaux en situations de vol d´efavorables et d´emontrent l’int´erˆet de leur utilisation. Cependant, les ph´enom`enes physiques sous-jacents `a ce type d’actionneurs bio-inspir´es restent encore mal compris. L’objectif principale de l’´etude d´evelopp´ee dans ce manuscrit est donc de contribuer `a la compr´ehension de ces ph´enom`enes. Pour ce faire, il est d’abord n´ecessaire de d´evelopper et de caract´eriser un dispositif de contrˆole ´equivalent `a ceux propos´es dans la litt´erature. C’est le sujet de ce chapitre.
Figure 3.6 – Sch´ema du dispositif de contrˆole de Favier et al `a deux instants diff´erents. Les lignes `a l’arri`ere plan repr´esentent le contour de la vitesse verticale (ligne continue quand la vitesse est positive et pointill´ee quand elle est n´egative). Source : [49]
2 . 2 Description du dispositif
Dans notre ´etude, l’id´ee premi`ere ´etait de d´evelopper un actionneur m´ecanique s’inspirant du comportement de “l’actionneur biologique”. Pour cela, on s’est tout d’abord int´eress´e `a la structure d’une plume d’oiseau seule. Comme on peut le voir sur le sch´ema de la figure 3.7(a), une plume d’oiseau est constitu´ee d’un rachis rigide (compos´e de k´eratine comme les cheveux ou les ongles humains) sur lequel sont implant´ees des barbes poreuses dispos´ees en ´epi de chaque cˆot´e du rachis. De la mˆeme mani`ere, sur chacune de ces barbes, sont implant´es en ´epi des barbules plus petites. Le bout de ces barbules est muni de minuscules crochets qui les lient les unes aux autres. La disposition de ces diff´erents ´el´ements cr´ee une structure comparable `a une grille comme on peut le voir sur la photographie de la figure 3.7(b).
Cependant, dans le cadre du ph´enom`ene qui nous int´eresse, ce n’est pas une seule plume qui agit sur l’´ecoulement mais un ensemble qui se comporte comme un “volet biologique”. Il ´etait donc n´ecessaire que l’actionneur m´ecanique bio-inspir´e, qui est l’objet de cette ´etude, respecte la structure du “volet de plumes”. Les deux propri´et´es caract´eristiques de l’actionneur m´ecanique sont donc sa rigidit´e et sa solidit´e, [51]. De plus, l’actionneur devait ´egalement ˆetre suffisamment l´eger pour pouvoir ˆetre actionn´e par l’´ecoulement seul, c’est-`a-dire sans apport d’´energie ext´erieur, pour pr´eserver la qualit´e auto-adaptative du syst`eme de contrˆole.
Afin de r´ealiser un dispositif de contrˆole respectant les crit`eres fix´es, on a donc choisi d’utiliser un cadre rigide en PVC sur lequel on applique un mat´eriau fin, comme il est d´ecrit sur le sch´ema 3.9(a). La masse lin´eique du dispositif n’exc`ede pas 60 g·m−1. Le cadre permet de garantir un taux de blocage initial de 50% de la surface totale du volet. Ce dernier a une longueur de 495 mm ce qui permet de couvrir la quasi totalit´e de l’envergure du mod`ele en ´evitant que le volet ne frotte sur les parois de la soufflerie. Les cylindres carr´es ont ´et´e pr´ealablement usin´es afin que les volets s’int`egrent parfaitement aux parois lat´erales lorsqu’ils sont r´etract´es. Pour cela, un ´epaulement de 2 mm d’´epaisseur et de 35 mm de largeur a ´et´e r´ealis´e sur chaque face lat´erale du cylindre contrˆol´e, comme on peut le voir sur la
Rachis
Barbe
Barbules
(a) (b)
Figure 3.7 – (a) Sch´ema de la structure d’une plume [47]. (b) Vue au microscope de la plume d’un ins´eparable `a rose gorge ( ´Echelle 40µm) [45].
Figure 3.8 – Sch´ema repr´esentant les diff´erents cylindres utilis´es lors de l’´etude.
figure 3.8. Ces dimensions correspondent exactement `a l’´epaisseur et la largeur des volets. La rigidit´e du cadre garantie ´egalement la bidimensionnalit´e du mouvement des volets.
Un mat´eriau poreux ou non est ensuite coll´e sur le cadre rigide du volet. Lorsqu’il s’agit de ma-t´eriaux poreux, on choisit d’utiliser des tissus commerciaux dont le tissage rappelle mais n’imite pas compl`etement la disposition des barbes et barbules des plumes, comme on peut le constater en compa-rant les photographies des figures 3.7(b) et 3.16. La photographie de la figure 3.9(b) permet de r´ealiser l’inventaire des couples de volets qui ont ´et´e utilis´es pour cette ´etude.
Les volets sont scotch´es au cylindre par leur bord d’attaque. L’articulation souple sch´ematis´ee sur la figure 3.10, autorise le mouvement libre des volets. La fixation est suffisamment courte et rigide pour consid´erer que leur mouvement est d´ecrit par un seul degr´e de libert´e : leur position angulaire. Quatre morceaux de scotch BlendermTM de la marque 3MTM sont ´equi-r´epartis sur la longueur du cylindre. On notera que dans le cadre de cette ´etude, en plus d’´etudier les actionneurs mobiles, des configurations pour lesquelles la position angulaire du volet ´etait fig´ee ont ´egalement ´et´e utilis´ees.