Engineering
Balance de soufflerie
Balayez l’incidence de l’aile au-delà du décrochage et lisez sa portance, sa traînée et son moment sur la balance à jauges de contrainte placée sous le plancher, puis comparez la polaire mesurée à la vraie. Étalonnez la balance avec un poids par voie ou avec quinze charges combinées, inclinez ses biellettes de portance, ajoutez du bruit et raccourcissez le moyennage, et voyez ce que les interactions entre voies, le bruit et les zéros qui dérivent à l’échauffement font à la traînée.
Ce qui se passe
Une soufflerie à circuit ouvert aspire l’air par un pavillon d’entrée, un nid d’abeilles et des grillages dans une veine d’essai de 0,8 × 0,6 m et le rejette par un diffuseur et un ventilateur de 8 kW ; sa vitesse maximale est de 35 m/s. Du fait de l’inertie de l’air et des pertes (K = 0,45), elle atteint 99,5 % de 25 m/s en 11,2 s, et l’entraînement absorbe alors 2,90 kW. Une aile rectangulaire de 0,5 m d’envergure et de 0,1 m de corde (allongement 5, profil Joukowski de portance nulle à −2,10°) pivote à son quart de corde sur un mât posé sur une balance à jauges de contrainte à trois composantes sous le plancher : le cadre métrique est suspendu à deux biellettes de portance espacées de 0,2 m et à une biellette de traînée, chacune étant un élément flexible dont le pont mesure l’effort de traction. La caractéristique de l’aile a la pente de portance de l’aile finie 2π·AR/(AR + 2) et le décollement au bord de fuite selon Kirchhoff : C_L culmine à 0,942 à 11,2° et retombe à 0,595 à 17,6° ; la finesse L/D culmine à 14,0 à 4,3°. Dans la balance réelle, les biellettes de portance sont inclinées de 1°, la biellette de traînée de 0,3° et les gains s’écartent du nominal jusqu’à 3 %, si bien que chaque pont lit un mélange de portance, de traînée et de moment.
Un essai prend le zéro sans vent, lance le ventilateur et balaie l’aile de −4° à 20°. Avec les sensibilités nominales du plan, la traînée à 4° est lue 27 % trop basse, C_D = 0,0250 au lieu de 0,0341 : l’inclinaison transmet à la biellette de traînée sin 1° de la portance, soit 0,157 N sur l’erreur de 0,171 N, et cette erreur, reportée sur l’axe de l’aile, 0,55 m au-dessus du centre de la balance, change C_m = −0,050 en +0,008. Un poids par voie corrige les gains, mais pas les interactions : la traînée est encore lue 24 % trop basse. Quinze charges combinées ajustées par moindres carrés restituent exactement tout le balayage en l’absence de bruit. Avec 20 µV/V de bruit d’amplificateur, la traînée fluctue de 31,6 mN en moyennant 10 échantillons et de moitié moins en moyennant 40. L’auto-échauffement des ponts, 3,1 K en deux minutes, déplace le zéro de traînée de 0,092 N.
Modèle : aérodynamique quasi stationnaire tirée de la caractéristique donnée, sans corrections de parois, effets du nombre de Reynolds ni décrochage dynamique ; la balance est un seul corps métrique rigide sur trois biellettes articulées à leurs extrémités dans le plan de l’écoulement, avec des amortisseurs à côté, qui vibre à 29, 62 et 71 Hz ; les poids agissent comme des forces constantes ; la masse volumique de l’air est fixe. Les pas de RK4 s’achèvent sur les tops de l’horloge d’échantillonnage à 1 kHz de l’amplificateur, de sorte que les lectures ne dépendent pas du pas d’image ; le bruit a une graine fixe. Le bilan d’énergie de la soufflerie se boucle (entraînement = énergie cinétique de l’air + pertes), de même que celui de la balance (travail des charges = son énergie + amortisseurs). La fumée est illustrative : écoulement potentiel avec la circulation propre de l’aile, soulevé au-dessus de la zone d’eau morte.
À essayer
Regardez le balayage tracer la polaire sur l’écran du chariot de mesure : la traînée mesurée reste sous la courbe vraie de la part de portance que lui transmettent les biellettes inclinées. Choisissez ensuite l’étalonnage par moindres carrés, inclinez les biellettes, ajoutez du bruit ou raccourcissez le moyennage, puis balayez de nouveau.
Équations du module
Équations C_L = a·(α − α₀)·((1 + √f)/2)², a = 2π·AR/(AR + 2) C_D = C_D0 + C_L²/(π·e·AR) + (1 − f)·C_D90·sin²(α − α₀) M·q″ + C·q′ + (K − K_g)·q = Q(L, D, M), r = s·T_link + r₀ + r_drift + r_noise F = K_cal·(r − r₀), K_cal = argmin Σ|F_w − K·(r − r₀)|²
