Fiche Complète d’Aérodynamique
Cette fiche synthétise les relations fondamentales de l’aérodynamique externe, utiles pour :
- calcul de portance et traînée
- étude de la couche limite
- analyse des régimes compressibles
- performance en croisière
- mise en similitude (soufflerie)
En écoulement subsonique :
quand la vitesse augmente → la pression statique diminue (Bernoulli).
Quand l’écoulement ralentit → la pression augmente.
1. Atmosphère & Gaz Parfait
1.1 Atmosphère standard (ISA)
Modèle à gradient thermique constant (troposphère 0–11 km) :
avec :
On perd environ 6.5 °C par km entre 0 et 11 km.
Pression :
où :
La pression est environ divisée par 2 tous les 5000 m.
1 bar = Pa
1 atm = 101 325 Pa
- = masse molaire (kg/mol)
Pour l’air :
1.2 Loi des gaz parfaits
Densité air au niveau mer :
1.3 Vitesse du son
avec :
- (air à température modérée)
diminue lorsque la température augmente (activation vibration moléculaire).
1.4 Nombre de Mach
où est la célérité du son.
- : incompressible
- : subsonique compressible
- : transsonique
- : supersonique
Angle de Mach :
1.5 Viscosité (Sutherland)
2. Écoulement Isentropique
Un écoulement isentropique est :
- Adiabatique (pas d’échange thermique)
- Réversible (pas de frottement ni choc)
2.1 Grandeurs totales (stagnation)
Pression totale :
Température totale :
La pression totale est la pression atteinte si l’écoulement est ralenti isentropiquement jusqu’à .
2.2 Pression dynamique
La pression dynamique représente l’énergie cinétique volumique du fluide.
Les coefficients aérodynamiques sont définis à partir de .
3. Nombres Sans Dimension
3.1 Nombre de Reynolds
Local :
Sur la corde :
Transition typique plaque lisse :
3.2 Nombre de Froude
3.3 Nombre de Strouhal
4. Portance et Traînée
4.1 Coefficient de portance
En vol horizontal stabilisé :
4.2 Coefficient de traînée
Décomposition :
- : frottement
- : pression
- : traînée induite
- : traînée d’onde
4.2.1 Traînée de frottement ()
Origine : viscosité du fluide.
Au voisinage de la paroi, la vitesse passe de 0 à ,
ce qui crée un gradient de vitesse → contraintes visqueuses.
Contrainte pariétale :
Force totale :
Dépend principalement de :
- Surface mouillée
- Nombre de Reynolds
- Régime laminaire ou turbulent
Un écoulement turbulent augmente le frottement mais retarde le décollement.
4.2.2 Traînée de pression ()
Origine : différence de pression entre l’avant et l’arrière du corps.
Si l’écoulement décolle :
- forte pression à l’avant,
- faible pression à l’arrière,
- force nette vers l’arrière.
Elle dépend fortement de la forme du corps.
La traînée de pression est directement liée au décollement de couche limite.
4.2.3 Traînée induite ()
Présente uniquement si le corps produit de la portance.
Elle provient :
- des tourbillons marginaux,
- du downwash,
- de l’inclinaison vers l’arrière de la résultante aérodynamique.
Expression classique :
où :
- = allongement
- = facteur d’efficacité d’Oswald
Propriétés :
- Dominante à basse vitesse
- Diminue quand la vitesse augmente
- Diminue si l’allongement augmente
4.2.4 Traînée d’onde ()
Apparaît en régime transsonique / supersonique.
Elle est due à la formation d’ondes de choc.
Mach critique : premier point où localement.
Au-delà :
- apparition de chocs,
- pertes irréversibles,
- forte augmentation de .
La traînée d’onde augmente brutalement autour de .
4.2.5 Traînée parasite
On regroupe souvent :
C’est la traînée présente même sans portance.
4.3 Finesse
4.4 Distance franchissable (Breguet)
5. Couche Limite
La couche limite est la zone proche de la paroi où les effets visqueux sont dominants.
À cause de la condition d’adhérence :
la vitesse passe progressivement de 0 à sur une petite épaisseur appelée couche limite.
5.1 Épaisseur de couche limite
On définit l’épaisseur telle que :
5.2 Épaisseur de déplacement
Notée .
Elle représente la perte de débit due au ralentissement dans la couche limite.
Interprétation :
la paroi semble “déplacée” vers l’extérieur de .
5.3 Épaisseur de quantité de mouvement
Notée .
Elle représente la perte de quantité de mouvement.
5.4 Équation intégrale de Von Kármán
Relation fondamentale :
Elle relie la croissance de la couche limite au frottement pariétal.
5.5 Couche limite laminaire (plaque plane)
Cas de Blasius.
Épaisseur :
Épaisseur de déplacement :
Épaisseur de quantité de mouvement :
Coefficient de friction local :
Coefficient global :
5.6 Couche limite turbulente (plaque plane)
Approximation expérimentale :
Épaisseur :
Coefficient de friction local :
5.7 Transition laminaire → turbulent
Transition typique :
Dépend de :
- Rugosité
- Perturbations
- Gradient de pression
5.8 Gradient de pression
Si :
→ gradient favorable (accélération)
Si :
→ gradient adverse
→ risque de décollement.
Le décollement apparaît lorsque la vitesse près de la paroi devient nulle ou inverse son sens.
5.9 Décollement
Quand le gradient adverse est trop fort :
- perte d’énergie dans la couche limite
- inversion du gradient de vitesse
- formation d’une zone de recirculation
Conséquences :
- forte augmentation de la traînée de pression
- perte de portance
6. Référentiels et Passage des Coefficients Aérodynamiques
En aérodynamique, les forces peuvent être exprimées dans différents référentiels.
Les deux principaux sont :
- Référentiel aérodynamique (vent relatif)
- Référentiel lié au corps (body frame)
6.1 Référentiel aérodynamique (vent relatif)
Axes :
- Axe : parallèle au vent relatif
- Axe : perpendiculaire au vent
Forces associées :
- : traînée (alignée avec le vent)
- : portance (perpendiculaire au vent)
6.2 Référentiel corps (body frame)
Axes :
- : axe longitudinal du corps
- : axe normal au corps
Forces associées :
- : force axiale
- : force normale
L’angle entre les deux référentiels est l’angle d’attaque .
6.3 Passage des forces
Les forces sont liées par une rotation d’angle :
Inversement :
6.4 Passage des coefficients
On définit :
et
On obtient alors :
Et inversement :
6.5 Approximation petits angles
Si est petit :
Alors :
En petit angle, le coefficient normal est presque égal au coefficient de portance.