Travaux Pratiques Encadrés
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Expérience 2 : le givrage sur un profil aérodynamique
septième et onzième séances
But de l’expérience :
Montrer la sustentation d’un profil aérodynamique et les conséquences de
l’alourdissement et de la déformation du profile
due au givrage.
Principe :
On va réaliser un profil aérodynamique à l’aide d’une feuille de papier.
L’expérience consiste dans un premier temps à souffler sur le profil à l’aide d’un ou plusieurs sèche-cheveux afin de voir sa réaction, puis dans un second temps de coller de la patafix sur le bord d’attaque du profil afin de voir comment il réagit quand il est alourdi et déséquilibré.
Matériel utilisé :
- une feuille A4 de papier Canson (224 g.m-2)
- une feuille A4 (90 g.m-2)
- une feuille A4 (140 g.m-2)
- deux fois 1.50 mètres de ficelle
- deux pailles
- deux potences hautes de 1 mètre
- deux noix de serrage
- deux pinces
- patafix
- perforatrice
- 3 sèche-cheveux
Montage :
Dans un premier temps, il faut s’occuper du support de l’expérience. Cela consiste à tendre un fil à la verticale à l’aide des potences. Ce fil sera alors le rail du profil aérodynamique. Pour cela nous avons fixé à l’aide des noix de serrage les pinces face à face le plus haut possible sur la potence puis nous avons noué les deux ficelles sur les pinces. Au bas de la potence, il y avait un clou qui permettait de nouer la ficelle en bas. La difficulté était de tendre les ficelles à la verticale, sinon elles auraient freiné le profile pendant l’expérience.
Schéma du support :
Fig. 9
Fig. 10
Dans un second temps nous avons réalisé le profil aérodynamique. Pour cela nous avons pris les trois feuilles que nous avons pliées en deux dans le sens de largeur avec entre ½ et 1 centimètre de décalage aux extrémités. Après avoir marqué les plis, on a scotché les extrémités entre elles.
Fig. 11
Fig. 12
Le côté bombé (supérieur) est appelé l’extrados alors que le côté inférieur est appelé l’intrados. L’extrémité pliée est le bord d’attaque, c’est-à-dire que les filets d’air qui arrivent sur le profil rencontrent le profil en ce point et l’extrémité scotchée est le bord de fuite.
Fig. 13
Il faut ensuite perforer les profils et glisser des pailles dans les trous afin de permettre au profil de coulisser sur les ficelles.
La dernière étape du montage était de fixer le profil aérodynamique sur le support en faisant passer la ficelle dans les pailles et en l’attachant en bas des potences, sur le clou.
Première partie du protocole :
Nous avons d’abord testé les différents profils pour savoir lequel réagissait le mieux sous l'influence des sèche-cheveux à la portance.
Après avoir choisi le bon profil, il faut simuler du givrage sur le profil. D’après nos recherches, la zone la plus touchée par le givrage sur une aile est le bord d’attaque car c’est la première zone à rencontrer les gouttelettes d’eau surfondue.
Pour simuler la glace, le groupe a opté pour la patafix car elle déforme et alourdi le profil, tout comme la glace.
La deuxième partie de l’expérience consiste donc à fixer de la patafix sur le bord d’attaque du profil, puis à recommencer la manipulation avec les sèche-cheveux.
Il faut observer la vitesse à laquelle le profil lesté monte.
Schéma :
Fig. 14
Premières observations :
Nous nous sommes alors rendu compte que le papier Canson était trop lourd pour la surface alaire (le profil ne se soulevait pas) et que la feuille simple de 90g.m-2 était trop souple (elle se déformait sous le souffle des sèche-cheveux et s’inclinait vers l’avant).
On a alors pensé à renforcer la feuille simple avec un rectangle de papier Canson plié en deux.
Mais cela créait un déséquilibre sur l’avant du profil.
Fig. 15
Fig. 16
Le profil fait avec une feuille de 140 g.m-2 s’est soulevé quand nous avons dirigé de face le sèche-cheveux vers lui. Nous avons alors réalisé la seconde expérience avec celui-ci.
Premiers résultats :
Le profil se soulève grâce à sa forme aérodynamique. Sous l’influence des sèches cheveux, il y a une différence de pression entre l’extrados et l’intrados : P (extrados) < P (intrados).
On dit qu’il y a une dépression sur l’extrados et une suppression sous l’intrados.
Fig. 18
Fig. 17
Cette différence de pression donne naissance à une force : la résultante aérodynamique notée R, qui a pour origine le centre de poussé. Cette résultante peut être divisée en deux composantes :
- La portance notée Rz, cette force a pour origine le centre de poussée et tire le profil vers le haut.
- La traînée notée Rx, cette force a également pour origine le centre de poussé et elle est opposée à la trajectoire du profil (de l’avion).
En vol, d’autres forces s’exercent sur l’avion qui ont la même direction que la traîné et la portance. Ce sont le poids (P=mg) et la traction (ou la poussée) des moteurs notée T.
Pour que l’avion ait une trajectoire rectiligne et une vitesse constante (on dit alors qu’il vole en palier stabilisé), la portance doit être égale au poids et la traction (ou la poussée) égale à la traînée.
Fig. 19
Pour notre expérience, T équivaut à la vitesse de l’air propulsée par les sèche-cheveux car le profil est fixé à son rail (la ficelle). Rx est contré par le support, cependant, on peut observer que le profil a tendance à reculer quand les sèche-cheveux sont allumés. Rx existe donc bien.
Dans la première partie de notre expérience, le profil en Canson ne se soulevait pas parce que son poids était supérieur à la portance.
Dans le second cas, le profil s’est déformé, ce qui a entraîné une perturbation de la circulation des filets d’air. La résultante aérodynamique était donc nulle.
Dans le dernier cas, le profil s’est soulevé donc P< Rz
Dans un second temps, nous allons essayer de mettre en évidence les impacts du givrage sur une aile.
Seconde partie du protocole :
Nous allons ajouter deux par deux puis une par une des boules de patafix de 1,0 g sur le bord d'attaque du profil afin de simuler la formation de givrage sur une aile et regarder comment le profil réagit face au flux d'air, tout en filmant l'expérience.
Schéma :
Fig. 20
Une première partie de l'expérience a également été réalisé pendant la sixième séance. Cependant, comme nous n'avions pas pesé la patafix, nous avons voulu recommencer l'expérience avec différentes masses de "givrage". Nous avons alors continué le premier décembre 2014 qui correspondait à notre onzième séance.
Pour la deuxième partie de l'expérience, nous avons changé le montage en rajoutant une pince et une noix de serrage en bas de la potence :
Cependant, cette fois-ci, le profil ne se soulevait pas sous l'influence des sèche-cheveux. Il restait néanmoins en sustentation grâce au flux d'air.
Fig. 21
Observations :
Nous avons commencé par effectuer un témoin pour vérifier que le profil n'était pas coincé sur la ficelle lorsqu'il était en sustentation.
Le profil est bien libre sur le rail et il est bien soumis aux forces aérodynamiques car il reste sur place sous l'influence du flux d'air et tombe quand on enlève les sèche-cheveux.
Il faut ensuite former les boulettes de patafix :
Fig. 22
Résultats :
Conclusion :
La portance diminue au fur et à mesure que le nombre de boulettes de patafix augmente. Le givrage a en réalité trois impacts : il alourdit l'avion, le déséquilibre, mais surtout, il perturbe l'écoulement des filets d'aires sur les ailes. La résultante aérodynamique est alors modifiée : la portance diminue et la traînée augmente. C'est pour cela que le profil descend plus rapidement quand le nombre de boulette de patafix augmente.
Fig. 23