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Qu'est-ce que l'aérodynamique ?
L'aérodynamique est la partie de la mécanique des fluides qui étudie les forces exercées par l'air en mouvement relatif sur un corps : avion, aile, hélice, véhicule, bâtiment. Ces forces se décomposent en traînée, dans le sens de l'écoulement, et portance, perpendiculaire à lui. Toutes deux sont proportionnelles à la masse volumique de l'air, à une surface de référence et au carré de la vitesse, le reste étant contenu dans deux coefficients sans dimension, Cx et Cz, mesurés en soufflerie ou calculés, qui dépendent de la forme, de l'incidence et du nombre de Reynolds.
Formules de la traînée et de la portance
- Fx, Fz : traînée et portance, en newtons
- ρ : masse volumique de l'air, 1,225 kg/m³ au niveau de la mer à 15 °C
- S : surface de référence, en m² : maître-couple (surface frontale) pour un corps, surface alaire pour une aile
- V : vitesse relative de l'air par rapport au corps, en m/s (1 km/h = 0,278 m/s)
- Cx, Cz : coefficients de traînée et de portance, sans unité, fonctions de la forme, de l'incidence et du nombre de Reynolds (polaire)
- L : longueur de référence (corde d'une aile), en m ; ν : viscosité cinématique de l'air, 1,5 × 10−5 m²/s
Coefficients de traînée Cx de formes courantes
| Forme | Cx | Remarque |
|---|---|---|
| Plaque plane perpendiculaire au vent | 1,1 à 1,3 | Dépend du rapport des côtés |
| Demi-sphère creuse face au vent (parachute) | 1,3 à 1,4 | 0,4 dans l'autre sens |
| Cylindre long, axe perpendiculaire | 1,0 à 1,2 | Chute à 0,3 au-delà de Re ≈ 3 × 105 |
| Sphère | 0,45 à 0,5 | Chute à 0,1 à 0,2 au-delà de Re ≈ 3 × 105 (crise de traînée) |
| Cube face au vent | 1,05 | |
| Corps profilé (goutte d'eau, fuseau) | 0,04 à 0,1 | Dix fois moins qu'une sphère de même maître-couple |
| Voiture moderne | 0,25 à 0,35 | S ≈ 2 à 2,5 m² ; S·Cx ≈ 0,6 à 0,8 m² |
| Cycliste | 0,9 à 1,1 | S ≈ 0,4 à 0,6 m² selon la position |
Explications détaillées et calcul dans Mecaflux
Aérodynamique définition:
- nom féminin Partie de la physique qui étudie les phénomènes accompagnant tout mouvement relatif entre un corps et l'air où il baigne.
- adjectif Relatif à l'aérodynamique.
Aérodynamique: Notions de base:
Autres liens complément d' information: l' helice de ventilation et soufflerie , le calcul d ' helice, et un logiciel de calcul helice.
Lorsqu'un objet est plongé dans un courant de fluide, il se produit des phénomènes de frottements et de turbulences.
lorsque le fluide est de l'air ,l'étude de ces phénomènes est l'aérodynamique.
lorsque le fluide est de l'eau ,l'étude de ces phénomènes est l'Hydrodynamique.
Dans l'air les effets de ces frottements sont étudies expérimentalement en soufflerie aérodynamique.
c'est dans une soufflerie aérodynamique que Le Cx ( cœfficient de traînée aérodynamique) et le Cz (cœfficient de portance) est étudié suivant les profils. Les résultats expérimentaux sont représenté sous forme de polaires aerodynamiques
essais aérodynamiques concorde:
soufflerie aérodynamique Eiffel:
(l'ingénieur de la tour consacra la fin de sa vie à la recherche aéronautique)
Soufflerie aérodynamique NASA:
De ces expérimentations sont tirées des informations liant les caractéristiques du fluide et de l'objet.
Les caractéristiques du fluide sont sa viscosité, sa vitesse, et sa masse volumique
les caractéristiques de l'objet sont sa largeur, sa longueur, sa forme, sa rugosité, son angle d'incidence, sa surface frontale ou son maitre-couple
Ces essais permettent de calculer des cofficients à différents nombres de Reynolds:
- le Cx est le cœfficient de traînée aérodynamique
- le Cz est cœfficient de portance aérodynamique.
La formule de détermination de ces coefficients est celle utilisée pour le calcul de la portance et de la traînée. La traînée et la portance étant connues par mesure directe des forces grâce à des systèmes de balances ou dynamomètres, on détermine donc le Cx ou le Cz par simple inversion de l'équation:
- Le Cx coefficient de trainee aerodynamique (idem hydrodynamique) :
p est la masse volumique du fluide KG/m3
S la surface frontale ou maître couple m²
v la vitesse relative* du fluide m/s
devient : Cx= Traînée/(p x s x (v²/2))La Traînée est une force en Newtons.
-
Le Cz coefficient de Portance aerodynamique (idem hydrodynamique) :
p est la masse volumique du fluide KG/m3
S la surface de l'aile (longueur*largeur) m²
v la vitesse relative du fluide m/s
devient : Cz= Portance/(p x s x (v²/2))la Portance est une force en Newtons.
Les données aérodynamiques expérimentales ou calculées sont stockées depuis des années d'expérimentations dans des bases de données aérodynamiques accessibles à tous.
Les frères Wright avaient construit leur soufflerie et testé leurs profils. Voici une application en java récupérée sur le site de la NASA qui illustre leurs expérimentations. Les données de polaires sur les plaques courbes aux différents ratio longueur largeur ou rayon courbures...Restent très utiles. Vous pouvez recréer votre fichier de polaires et entrer les données dans l'éditeur de profil pour créer votre profil utilisable dans mecaflux.
l'utilisation des coefficients aérodynamique (CX) de traînée et de portance (CZ) est fortement facilité dans MECAFLUX car ils sont déjà entrés pour chaque sélection d'objet,vous n'avez plus qu'à choisir les dimensions de votre profil et les paramètres du fluide.Si vous désirez utiliser un profil qui n'est pas dans la liste un éditeur de profil vous permet de le créer.
les profils aérodynamiques dans le logiciel mecaflux
Calcul de trainée et portance d'une coque de dirigeable , sous marin ou bateaux avec le logiciel HELICIEL
Mecaflux standard est un logiciel de calcul d'aile ou de voile simplifié pour débutants.
HELICIEL est un logiciel de calcul helice aile voile pour professionnels.
Questions fréquentes
Comment calculer la force du vent sur une surface ?
F = ½ ρ S V² Cx. Pour une plaque de 1 m² face à un vent de 100 km/h (27,8 m/s) avec Cx = 1,2 : F = 0,5 × 1,225 × 1 × 27,8² × 1,2 = 568 N, soit le poids de 58 kg. La pression dynamique seule, ½ ρ V², vaut 473 Pa.
Pourquoi la traînée augmente-t-elle avec le carré de la vitesse ?
Parce que la force est proportionnelle à la pression dynamique ½ ρ V². Doubler la vitesse quadruple la traînée, et comme la puissance nécessaire vaut F × V, elle est multipliée par huit : c'est pourquoi la consommation d'un véhicule s'envole à haute vitesse.
Quelle est la différence entre Cx et Cz ?
Le Cx mesure la traînée, force qui s'oppose au mouvement ; le Cz mesure la portance, force perpendiculaire au vent relatif qui soutient une aile ou plaque une voiture au sol. Leur rapport Cz/Cx est la finesse : 15 à 20 pour une aile d'avion de ligne, 40 à 60 pour un planeur.
Comment calculer la portance et la traînée de mon aile, de mon véhicule ou de mon hélice ?
Mecaflux Standard calcule la traînée des formes géométriques et des plaques, la portance et la traînée des ailes et dérives à partir des polaires de profils, et le frottement de surface ; Heliciel conçoit les hélices, les ailes et les éoliennes par la théorie de l'élément de pale. Pour un drone, un véhicule, une éolienne ou une structure exposée au vent, Mecaflux réalise l'étude de votre projet, ou vous propose une formation sur le logiciel appliquée à votre propre projet.