Tourbillons de bout d'aile - Wingtip vortices

Les tourbillons induits par la portance derrière un avion à réaction sont mis en évidence par de la fumée sur une piste dans une expérience du Centre aérospatial allemand (DLR)

Un enregistrement audio des tourbillons induits par la portance entendus peu de temps après qu'un avion de ligne a survolé l'enregistreur

Les tourbillons de bout d'aile sont des motifs circulaires d'air en rotation laissés derrière une aile lorsqu'il génère de la portance . Un vortex de bout d'aile s'échappe du bout de chaque aile. Les tourbillons de bout d'aile sont parfois appelés tourbillons de fuite ou de portance, car ils se produisent également à des points autres qu'au bout des ailes. En effet, le tourbillon est traîné en tout point de l'aile où la portance varie dans le sens de l'envergure (un fait décrit et quantifié par la théorie de la ligne portante ) ; il finit par s'enrouler en de grands tourbillons près du bout de l'aile, au bord des dispositifs de volets ou à d'autres changements brusques de la forme du plan de l' aile .

Les tourbillons d'extrémité d'aile sont associés à la traînée induite , à la transmission d'un vent descendant , et sont une conséquence fondamentale de la génération de portance tridimensionnelle. Une sélection minutieuse de la géométrie de l'aile (en particulier, l' envergure ), ainsi que des conditions de croisière, sont des méthodes de conception et d'exploitation pour minimiser la traînée induite.

Les tourbillons d'extrémité d'aile constituent la principale composante de la turbulence de sillage . En fonction de l'humidité atmosphérique ambiante ainsi que de la géométrie et de la charge alaire de l'avion, l'eau peut se condenser ou geler au cœur des tourbillons, rendant les tourbillons visibles.

Génération de tourbillons de fuite

Calcul d'Euler d'un tourbillon de pointe s'enroulant à partir de la feuille de tourbillon traînée.

Lorsqu'une aile génère une portance aérodynamique , il en résulte une région de downwash derrière l'avion, entre les deux tourbillons.

La portance tridimensionnelle et l'apparition de tourbillons en bout d'aile peuvent être abordées avec le concept de tourbillon en fer à cheval et décrites avec précision avec la théorie de Lanchester-Prandtl . Dans cette vue, le vortex de fuite est une continuation du vortex lié à l' aile inhérent à la génération de portance.

Effets et atténuation

Les avions de ligne modernes comportent souvent des ailes minces et des dispositifs de bout d'aile

Les tourbillons d'extrémité d'aile sont associés à une traînée induite , une conséquence inévitable de la génération de portance tridimensionnelle. Le mouvement de rotation de l'air dans les tourbillons d'extrémité d'aile (parfois décrit comme une « fuite ») réduit l' angle d'attaque effectif de l'air sur l'aile.

La théorie de la ligne de levage décrit la perte des tourbillons de fuite comme des changements dans le sens de la portée dans la distribution de la portance. Pour une envergure et une surface données, la traînée induite minimale est obtenue avec une distribution de portance elliptique . Pour une distribution et un ascenseur donné planform aile zone, la traînée induite est réduite avec l' augmentation de ratio d'aspect .

En conséquence, les aéronefs pour lesquels un rapport portance/traînée élevé est souhaitable, tels que les planeurs ou les avions de ligne à long rayon d'action , ont généralement des ailes à rapport d'aspect élevé. De telles ailes présentent cependant des inconvénients en termes de contraintes structurelles et de maniabilité, comme en témoignent les avions de combat et de voltige qui présentent généralement des ailes courtes et trapues malgré les pertes d'efficacité.

Une autre méthode pour réduire la traînée induite est l'utilisation de winglets , comme on le voit sur la plupart des avions de ligne modernes. Les winglets augmentent le rapport d'aspect effectif de l'aile, modifiant le motif et l'amplitude de la vorticité dans le motif vortex. Une réduction est obtenue dans l'énergie cinétique dans le flux d'air circulaire, ce qui réduit la quantité de carburant dépensée pour effectuer un travail sur l'air en rotation.

Après que la NASA se soit inquiétée de la densité croissante du trafic aérien pouvant causer des accidents liés au vortex dans les aéroports, une expérience menée par le NASA Ames Research Center en soufflerie avec un modèle 747 a révélé que la configuration des volets pouvait être modifiée sur les avions existants pour briser le vortex. en trois vortex plus petits et moins dérangeants. Cela impliquait principalement de modifier les réglages des volets extérieurs et pourrait théoriquement être adapté aux avions existants.

Visibilité des tourbillons

Des tourbillons se déversent au niveau des extrémités et des extensions de pointe d'un F/A-18

Les noyaux des tourbillons sont parfois visibles car l'eau qu'ils contiennent se condense du gaz ( vapeur ) au liquide , et parfois même gèle, formant des particules de glace.

La condensation de vapeur d'eau dans les tourbillons d'extrémité d'aile est plus courante sur les avions volant à des angles d'attaque élevés , tels que les avions de chasse dans les manœuvres à haute g , ou les avions de ligne décollant et atterrissant par temps humide.

Condensation et congélation aérodynamiques

Les noyaux des vortex tournent à très grande vitesse et sont des régions de très basse pression. En première approximation , ces régions de basse pression se forment avec peu d'échange de chaleur avec les régions voisines (c'est-à-dire adiabatiquement ), de sorte que la température locale dans les régions de basse pression chute également. S'il descend en dessous du point de rosée local , il en résulte une condensation de vapeur d'eau présente dans les noyaux des tourbillons d'extrémité d'aile, les rendant visibles. La température peut même descendre en dessous du point de congélation local , auquel cas des cristaux de glace se formeront à l'intérieur des carottes.

La phase de l'eau (c'est-à-dire si elle prend la forme d'un solide, d'un liquide ou d'un gaz) est déterminée par sa température et sa pression . Par exemple, dans le cas de la transition liquide-gaz, à chaque pression, il existe une "température de transition" spéciale telle que si la température de l'échantillon est même un peu au - dessus de , l'échantillon sera un gaz, mais, si la température de l'échantillon est même un peu en dessous , l'échantillon sera un liquide ; voir transition de phase . Par exemple, à la pression atmosphérique standard , est de 100 °C = 212 °F. La température de transition diminue avec la diminution de la pression (ce qui explique pourquoi l'eau bout à des températures plus basses à des altitudes plus élevées et à des températures plus élevées dans un autocuiseur ; voir ici pour plus d'informations). Dans le cas de la vapeur d'eau dans l'air, le correspondant à la pression partielle de la vapeur d'eau est appelé le point de rosée . (La transition solide-liquide se produit également autour d'une température de transition spécifique appelée point de fusion . Pour la plupart des substances, le point de fusion diminue également avec la diminution de la pression, bien que la glace d'eau en particulier - sous sa forme I _h , qui est la plus familière - est une exception notable à cette règle .) ${\style d'affichage T_{c}}$ ${\style d'affichage T_{c}}$ ${\style d'affichage T_{c}}$ ${\style d'affichage T_{c}}$ ${\style d'affichage T_{c}}$ ${\style d'affichage T_{c}}$

Les noyaux de vortex sont des régions de basse pression. Lorsqu'un noyau de vortex commence à se former, l'eau dans l'air (dans la région qui est sur le point de devenir le noyau) est en phase vapeur, ce qui signifie que la température locale est supérieure au point de rosée local. Après la formation du noyau de vortex, la pression à l'intérieur de celui-ci a diminué par rapport à la valeur ambiante, et donc le point de rosée local ( ) a chuté par rapport à la valeur ambiante. Ainsi, en soi , une chute de pression aurait tendance à maintenir l'eau sous forme de vapeur : le point de rosée initial était déjà inférieur à la température de l'air ambiant, et la formation du vortex a rendu le point de rosée local encore plus bas. Cependant, au fur et à mesure que le noyau du vortex se forme, sa pression (et donc son point de rosée) n'est pas la seule propriété qui baisse : la température du noyau du vortex diminue également, et en fait elle peut chuter beaucoup plus que le point de rosée. ${\style d'affichage T_{c}}$

En première approximation , la formation de noyaux de vortex est thermodynamiquement un processus adiabatique , c'est-à-dire sans échange de chaleur. Dans un tel procédé, la chute de pression s'accompagne d'une chute de température, selon l'équation

{\frac {T_{\text{f}}}{T_{\text{i}}}}=\left({\frac {p_{\text{f}}}{p_{\text{ i}}}}\right)^{\frac {\gamma -1}{\gamma }}.

Voici et sont la température et la pression absolues au début du processus (ici égales à la température et à la pression de l'air ambiant), et sont la température et la pression absolues dans le noyau du vortex (qui est le résultat final du processus), et la constante est d'environ 7/5 = 1,4 pour l'air (voir ici ). $T_{\text{i}}$ $p_{\text{i}}$ $T_{\text{f}}$ $p_{\text{f}}$ ${\style d'affichage \gamma }$

Ainsi, même si le point de rosée local à l'intérieur des noyaux de vortex est encore plus bas que dans l'air ambiant, la vapeur d'eau peut néanmoins se condenser — si la formation du vortex amène la température locale en dessous du nouveau point de rosée local.

Pour un avion de transport type atterrissant sur un aéroport, ces conditions sont les suivantes : et ont des valeurs correspondant aux conditions dites standard , c'est-à-dire = 1 atm = 1013,25 mb = 101 325 Pa et = 293,15 K (soit 20 °C = 68 °F). L' humidité relative est de 35% confortable (point de rosée de 4,1 °C = 39,4 °F). Cela correspond à une pression partielle de vapeur d'eau de 820 Pa = 8,2 mb. Dans un coeur de vortex, la pression ( ) chute à environ 80 % de la pression ambiante, c'est-à-dire à environ 80 000 Pa. $T_{\text{i}}$ $p_{\text{i}}$ $p_{\text{i}}$ ${\style d'affichage \,}$ $T_{\text{i}}$ $p_{\text{f}}$

La température dans le noyau du vortex est donnée par l'équation ci-dessus comme ou 0,86 °C = 33,5 °F. $T_{\text{f}}=\left({\frac {\scriptstyle 80\,000}{\scriptstyle 101\,325}}\right)^{\scriptscriptstyle 0.4/1.4}\,T_{ \text{i}}=0.935\,\times \,293.15=274\;{\text{K}},$

Ensuite, la pression partielle de l'eau dans le noyau du vortex chute proportionnellement à la baisse de la pression totale (c'est-à-dire du même pourcentage), jusqu'à environ 650 Pa = 6,5 mb. Selon un calculateur de point de rosée, cette pression partielle donne un point de rosée local d'environ 0,86 °C ; en d'autres termes, le nouveau point de rosée local est à peu près égal à la nouvelle température locale.

Il s'agit donc d'un cas marginal ; si l'humidité relative de l'air ambiant était encore un peu plus élevée (avec la pression et la température totales restant comme ci-dessus), alors le point de rosée local à l'intérieur des tourbillons augmenterait, tandis que la température locale resterait la même. Ainsi, la température locale serait maintenant inférieure au point de rosée local, et donc la vapeur d'eau à l'intérieur des tourbillons se condenserait effectivement. Dans les bonnes conditions, la température locale dans les noyaux de vortex peut descendre en dessous du point de congélation local , auquel cas des particules de glace se formeront à l'intérieur des noyaux de vortex.

Le mécanisme de condensation de la vapeur d'eau dans les tourbillons d'extrémité d'aile est donc entraîné par des changements locaux de pression et de température de l'air. Ceci doit être mis en contraste avec ce qui se passe dans un autre cas bien connu de condensation d'eau liée aux avions : les traînées de condensation des échappements des moteurs d'avion. Dans le cas des traînées de condensation, la pression atmosphérique et la température locales ne changent pas de manière significative ; ce qui importe à la place, c'est que l'échappement contient à la fois de la vapeur d'eau (qui augmente la concentration locale de vapeur d'eau et donc sa pression partielle, entraînant un point de rosée et un point de congélation élevés) ainsi que des aérosols (qui fournissent des centres de nucléation pour la condensation et la congélation) .

Vol en formation

Bernaches du Canada en formation V

Une théorie sur le vol des oiseaux migrateurs indique que de nombreuses espèces d'oiseaux plus grandes volent en formation en V, de sorte que tous, à l'exception de l'oiseau leader, peuvent profiter de la partie ascendante du vortex de l'extrémité de l'aile de l'oiseau qui précède.

Dangers

Une étude de la NASA sur les tourbillons de bout d'aile, illustrant la taille des tourbillons produits.

Les tourbillons en bout d'aile peuvent présenter un danger pour les aéronefs, en particulier pendant les phases d' atterrissage et de décollage du vol. L'intensité ou la force du vortex est fonction de la taille, de la vitesse et de la configuration de l'avion (réglage des volets, etc.). Les tourbillons les plus forts sont produits par des avions lourds, volant lentement, avec les volets d'aile et le train d'atterrissage rentrés ("lourd, lent et propre"). Les gros avions à réaction peuvent générer des tourbillons qui peuvent persister pendant plusieurs minutes, dérivant avec le vent.

Les aspects dangereux des tourbillons en bout d'aile sont le plus souvent discutés dans le contexte de la turbulence de sillage . Si un avion léger suit immédiatement un avion lourd, la turbulence de sillage de l'avion lourd peut faire rouler l'avion léger plus rapidement que ne peut résister l'utilisation des ailerons. A basse altitude, en particulier lors du décollage et de l'atterrissage, cela peut entraîner une perturbation dont la récupération n'est pas possible. ("Léger" et "lourd" sont des termes relatifs, et même des jets plus petits ont été roulés par cet effet.) Les contrôleurs aériens tentent d'assurer une séparation adéquate entre les avions au départ et à l'arrivée en émettant des avertissements de turbulence de sillage aux pilotes.

En général, pour éviter les tourbillons, un avion est plus sûr s'il décolle avant le point de rotation de l'avion qui a décollé avant lui. Cependant, des précautions doivent être prises pour rester au vent (ou à l'écart) des tourbillons générés par l'avion précédent. Lors de l'atterrissage derrière un avion, l'avion doit rester au-dessus de la trajectoire de vol du premier et atterrir plus loin le long de la piste.

Les pilotes de planeur s'entraînent régulièrement à voler dans des tourbillons d'extrémité d'aile lorsqu'ils effectuent une manœuvre appelée "boxing the wake". Cela implique de descendre de la position la plus élevée à la position inférieure derrière un avion remorqueur. Ceci est suivi par la réalisation d'une figure rectangulaire en tenant le planeur aux points hauts et bas loin de l'avion de remorquage avant de remonter à travers les tourbillons. (Pour des raisons de sécurité, cela ne se fait pas en dessous de 1500 pieds au-dessus du sol, et généralement en présence d'un instructeur.) Compte tenu des vitesses relativement lentes et de la légèreté des deux aéronefs, la procédure est sûre mais donne une idée de la force et de l'emplacement de la turbulence. .

Galerie

Un Prowler EA-6 avec de la condensation dans les noyaux de ses tourbillons de bout d'aile et aussi sur le dessus de ses ailes.
Des tourbillons peuvent se former aux extrémités des pales d'hélice, comme on le voit sur ce DHC-5 Buffalo .
Le noyau du vortex partant de la pointe du volet d'un avion commercial avec volet d'atterrissage sorti.
Tourbillons de bout d'aile d'un modèle de soufflerie Cessna 182 .
Tourbillons d'extrémité d'aile montrés dans la fumée de torche laissés derrière un C-17 Globemaster III . Aussi connu sous le nom d'anges de fumée.
Le tiltrotor MV-22 Osprey a une charge de disque élevée , produisant des tourbillons visibles en bout de pale.
Calcul d'Euler d'un vortex de pointe stationnaire. Les couleurs des contours et l'isosurface révèlent la vorticité.
Un modèle de Boeing 747 vient de traverser une nappe de fumée stationnaire, qui montre ses tourbillons de fuite, au Vortex Facility du Langley Research Center .