Tests aérodynamiques

La maquette d'aérodynamisme reproduit en miniature une soufflerie utilisée dans l'industrie pour tester les résistances à l'air des véhicules. Les mesures effectuées permettent de connaitre la force de trainée et le coefficient d'aérodynamisme de la forme testée.

Présentation de la maquette

                           

La maquette d'aérodynamisme est composée :

1. D’un ventilateur soufflant de l’air suivant un axe horizontal, de la gauche vers la droite. Le ventilateur est équipé, à sa sortie, d’une mousse de tranquillisation de l’écoulement. Le rôle de cette dernière est de limiter les perturbations afin d’obtenir un écoulement que l’on considèrera, par approximation, laminaire.
2. D’une jauge de contrainte avec support permettant d’accueillir différentes formes. Le dispositif « jauge + support » est situé dans l’axe de l’écoulement d’air. La résistance de chaque forme à la pression de l’air est ainsi quantifiée dans le but de déduire le coefficient aérodynamique de chaque pièce.
3. La soufflerie est carénée afin de limiter les perturbations venant de l’extérieur.

La soufflerie est équipée sur sa face avant, d’une zone dédiée à la mesure :

4. L’afficheur permet la lecture directe de la vitesse en m.s^-1 et de la force en mN selon le mode choisi.
5. Choix du mode pour l’affichage : mode « vitesse » ou mode « force ». La LED correspondante s’allume.
6. Boutons + et – pour augmenter ou diminuer la vitesse de l’écoulement d’air. En mode vitesse, l’appui simultané sur les boutons + et – permet d’éteindre la soufflerie. En mode force, l’appui simultané sur les boutons + et – permet de réaliser une remise à zéro de la jauge de contrainte.

 

Quelques notions d’aérodynamique

Dans le cas d’un objet en mouvement relatif dans l’air, comme par exemple un avion, les forces s’exerçant sur l’objet considéré sont : le poids P, la force de portance FP, la force de trainée FT, la traction T.
Dans la maquette d'aérodynamisme, les pièces sont fixées sur un support, en conséquence : le poids est compensé par la force de réaction due à la présence du support. la portance est compensée par le blocage de la pièce sur le support. la traction est nulle. Seule, reste la force de trainée : horizontale et dans le sens de l’écoulement d’air.

Objectif de l'activité :

Vous allez tester les différents profils ci-dessous pour comparer leur aérodynamisme.

Profil 1

Profil 2

Profil 3

Profil 4

 

1 - Mesures

Etape 1 - Calibrage

Attention ! La jauge de contrainte sur laquelle sont placés les profils est fragile. Vous manipulerez la maquette avec soin.

Ouvrir la maquette et positionner le Profil 1 comme sur la photo.



Refermer la maquette avec le capot transparent.

Au démarrage la maquette va calibrer le capteur d'effort (jauge de containte) à l'aide de ce Profil 1.

Brancher la maquette. L’écran situé sur la face avant indique « CAL » pendant le calibrage.

Appuyer sur le bouton "+" pour mettre en route puis augmenter la vitesse d'écoulement de l'air.

Question 1.1 - Effectuer 9 mesures de la force de trainée FT à des vitesses différentes pour les 4 Profils puis reporter ces mesures dans les deux premières lignes du tableau du DR1 :

• Appuyer sur le bouton "mode" pour afficher la vitesse (en m/s) ou la force.
• La vitesse maximale est de 14 m/s.
• La force est affichée en millinewtons (mN), il faudra la convertir sur le DR1 en Newtons.
• Il n'est pas nécessaire de refaire le calibrage en changeant de Profil.

Question 1.2 - Placer sur le graphique du DR2 vos différents points de mesures, puis tracer les 4 courbes d'évolution de la force de trainée FT fonction de la vitesse d'écoulement.

Question 1.3 - Comment sont ces courbes ?

Question 1.4 - Au vue de ces différentes courbes, quel Profil vous semble le plus et le moins aérodynamique ?

 

2 - Coefficient de trainée Cx

La force de traînée est la force qui s’oppose au déplacement du solide, elle est notée FT ou Fx. Cette force dépend de la masse volumique de l’air (ρ), de la vitesse de l’objet (V), de la surface de référence (S) c’est-à-dire la surface frontale la plus grande et d’un certain Cx (coefficient de traînée). La force de trainée est en Newton. La masse volumique de l'air est de 1,2 kg.m-3. La vitesse de l'objet correspond à la vitesse d'écoulement de l'air en m/s. La surface est en m².

Question 2.1 - A partir de la formule précédente, exprimer Cx fonction de Fx, ρ, V et S sur le DR2.

Question 2.2 - Dans la formule, S est la surface frontale (surface projetée sur un plan perpendiculaire à l'écoulement de l'air). A l'aide du pied à coulisse, mesurer les dimensions nécessaires sur chaque Profils, reporter les dans la troisième ligne des tableaux puis calculer en m² cette surface S.

Appeler le professeur pour faire valider vos réponses avant de passer à la suite.

Question 2.3 - A l'aide la formule de la Question 2.1, calculer les Cx des différents profils en complétant la dernière ligne des tableaux du DR1. Calculer ensuite la moyenne de chaque Cx

Question 2.4 - Afin de minimiser cette force de trainée et d'augmenter les performances aérodynamiques, en observant la formule de Fx, comment d'après vous doit être le Cx ?

Question 2.5 - Au vue des valeurs du Cx calculés à la Question 2.3, vos conclusions de la partie 1 à la Question 1.4 sont-elles confirmées?