Soufflerie

Unesoufflerieest une installation d'essais utilisée enaérodynamiquepour étudier les effets d'un écoulement d'air sur un corps, généralement un modèle de dimension réduite par rapport au réel. On peut effectuer dans une soufflerie des mesures, par exemple d'efforts, et des visualisations d'écoulement le plus souvent impossibles à faire dans les conditions réelles de déplacement. Il existe plusieurs centaines de souffleries dans le monde, dont le plus grand nombre sont auxÉtats-Unis.
Une soufflerie désigne aussi un simulateur de chute libre. Dans ce cas l'écoulement d'air est dirigé vers le haut.
Les premières expériences visant à observer les effets de l'écoulement de l'air sur des corps ont été faites soit par chute libre (parIsaac Newtonet Desaguliers)soit avec des manèges, notamment parBenjamin Robinsavant 1742 (image de droite) ouGeorge Cayleyvers 1800, le corps étant supporté par un bras tournant. Cette deuxième méthode ayant l'inconvénient d'introduire des effets centrifuges et de faire évoluer le corps dans son propre sillage aérodynamique (animation de gauche), l'idée est venue de créer un mouvement d'air sur un corps immobile. La première soufflerie a été inventée et réalisée en Angleterre par Francis Herbert Wenham et John Browning en 1871. Puis vint la soufflerie d'Horatio Phillipsen 1884 (voir cetteimage).Constantin Tsiolkovskiconstruisit et expérimenta la première soufflerie russe en 1897 (image ci-contre).
LesFrères Wright, cherchant à analyser et améliorer les performances de leurs planeurs, ont également fabriqué une petite soufflerie en 1901, laquelle leur a permis de déterminer la vrai valeur du fameux (à l'époque)coefficient de Smeatonquantifiant l'action du vent sur les plaques, donc sur les ailes.
Après celle deCharles Renardà l’Établissement Militaire deChalais-Meudondont il était le directeur (voir cetteimage), la première soufflerie française fut celle deGustave Eiffeldans sonlaboratoire aérodynamiqueédifié sur leChamp-de-Mars (Paris)en 1909. Eiffel dû quitter le Champ de Mars en 1911 aussi créa-t-il une nouvelle soufflerie plus grande dans leQuartier d'Auteuil(cette soufflerie est toujours active)(image ci-contre). La première soufflerie à circuit fermé est celle deLudwig PrandtlauCentre de Recherche Aérodynamique de Göttingenen 1909.Avec le développement de l'aéronautique militaireà partir de 1910, et suivant lapremière guerre mondiale, les grandes nations ont construit des souffleries de plus en plus grandes; celle deChalais-Meudonétait la plus grande en 1929 :
Une soufflerie se compose d'un circuit aérodynamique comportant une veine d'essais. Le circuit d'air peut être ouvert ou fermé :
La veine d'essais peut être ouverte, ou « libre » comme dans les souffleries Eiffel, guidée (par exemple par un plancher pour tester des automobiles), ou fermée. Dans la plupart des souffleries à retour, la veine d'essais est fermée, ce qui permet de contrôler (et de modifier) la température et la pression de l'air.
Le flux d'air est généralement aspiré et non soufflé sur le modèle, le ventilateur (ou compresseur) étant disposé en aval de la veine d'essais.
Dans le cas d'un mobile (avion, véhicule), on considère que l'effet de l'air en mouvement sur le modèle à l'arrêt est le même que sur le modèle en mouvement dans une masse d'air fixe. Pour avoir des résultats d'essais valables à échelle réduite, il faut suivre la loi de similitude qui demande de conserver lenombre de Reynoldstraduisant le rapport entre les forces d'inertie et de viscosité de l'air.
Compte tenu des dimensions des avions les plus grands (gros porteurs), on doit obtenir en soufflerie des nombres de Reynolds très  élevés ; pour cela, on peut jouer surV,Letρ{\displaystyle \rho }. PourLetV, on doit augmenter la taille du modèle et la vitesse de l'air : cela conduit à des souffleries plus grandes et des motorisations plus puissantes. On peut aussi augmenter rho (la masse volumique de l'air) en augmentant la pression d'air dans la soufflerie (soufflerie pressurisée) ou en diminuant la température de l'air (soufflerie cryogénique), ou les deux.
L'air étant compressible, il faut aussi respecter lenombre de Machdans le cas des grandes vitesses. La plupart des avions de ligne (à réaction) volent à plus deMa0,8.
En fonction des besoins de vitesse et de Reynolds, les caractéristiques physiques de l'écoulement peuvent être modifiées :
Rien ne s'oppose à ce que des enseignements soient tirés de la mise en place de modèles dans un courant d'air dû au vent météo. L'image ci-contre montre l'utilisation du vent pour la détermination du Centre Latéral de Portance d'une grandefusée à eau. Beaucoup de phénomènes peuvent être révélés par des essais éoliens (voir par exemplecette vidéomontrant qu'une calotte sphérique placée face au vent ne se retourne pas pour adopter l'attitude d'un parachute. Un soufflerie éolienne n'est pas à proprement parler une soufflerie, mais des installations fixes (portiques, etc.) faciliteront son usage.Clément Aderavait ainsi testé le fonctionnement de son premier projet d'avionen plume. Plus tard, Pierre Lissarraguea testé ainsi dans le vent une demi voilure grandeur nature de l'Avion III.
Modèles simples à visée éducative, généralement à circuit ouvert. Dimension de la veine de l'ordre de 60 × 60cm. Les moins puissantes ont une puissance de quelques kilowatts, ce qui permet de mettre en mouvement une veine fluide de quelques décimètres carrés de section dans un environnement très peu sonore.
Ci-contre à droite, la vidéo montre le comportement très contre intuitif ducône de rétreint
À gauche, la vidéo montre le gonflement très contre intuitif du cône de film plastiquecontre le vent. Cette expérience prouve que la pression aupoint d'arrêtest la plus forte pression qui peut exister sur un corps placé dans le vent.
Lessouffleries à fuméespeuvent être classées parmi les souffleries d'études. Elles travaillent dans la plupart des cas à desnombres de Reynolds assez faiblesmais permettent pourtant la visualisation de certains phénomènes particuliers (comme ci-contre lesallées de tourbillons de Bénard-Karmandans la soufflerie Marey d'AÉRODYNE).
Veines de 1 à 5mde section, vitesse de l'ordre de40à60m/s, permettent des essais de modèles de planeurs et d'avions à basse vitesse (moins de200km/h). Exemples, la soufflerie S4 de l'ISAE, ou celle de l'université d'Orléans.
Veines de 5 à 8mde section, vitesse de l'ordre de50à100m/s, permettent des essais de modèles d'avions plus grands, à vitesse plus élevée. Exemple typique, la soufflerie américaine Texas University de7 × 10 ft(6,32m).
Ces souffleries ont une vitesse d'air jusqu'à100m/s(360km/houMa0,3). On peut y tester les véhicules routiers et les avions en phase de décollage ou d'atterrissage. Exemples, souffleries F1 (pressurisée) et F2 de l'Office national d'études et de recherches aérospatiales, souffleries atmosphériqueset climatiquesduCentre scientifique et technique du bâtiment(CSTB).
On pense d'abord à l'aéronautique lorsqu'on évoque les souffleries mais bien d'autres applications de transport y ont recours. Les véhicules routiers ou sur rail sont passés en soufflerie pour diverses raisons : diminution de la résistance à l'avancement (et économies d'énergie correspondantes) par le profilage de la carrosserie (Cf. laCitroën CXdont le nom commercial renvoie à uncoefficient fondamental de traînée aérodynamique), mais aussi forces d'appui au sol, certaines voitures de course ou de record pouvant échapper à tout contrôle et même décoller à très haute vitesse . L'appui aérodynamique permet notamment d'augmenter la vitesse de passage en courbe des voitures deFormule 1. Lescarénagesde motos de course ont été aussi étudiés en soufflerie subsonique, la firme pionnière en la matière étantMoto-Guzzi(très active en course des années 20 à la fin des années 50), qui fit construire sa propre soufflerie (Galleria del vento en italien)pour tester les carénages intégraux (plaisamment dénommésFlying Dustbins -poubelles volantes-par les pilotes britanniques) Très efficaces ces carénages furent cependant bannis par l'autorité sportive au début des années 60.
Le sport de lavoilea aussi fait usage de la soufflerie : dès les années 1930, le régatier germano-américain Manfred Curry essaie des modèles de voiles dans la soufflerie de l' avionneurJunkersàDessauet trace les premières courbes polaires du rendement des voiles en fonction de leur forme (houariouMarconi), de leur creux et de leur angle d'incidence par rapport auvent apparent(réglage de l'écoute) ; il testera aussi des dispositifs novateurs (voiles épaisses et mâts-ailes).
La plus grande soufflerie subsonique à retour est celle de l'ONERAàModane(plus de 120mde circuit, veine d'expérience de 8mde diamètre), mise en service en1952. Très puissante (88MW), on peut y tester des modèles de 4md'envergure, à plus de300m/s. La soufflerie subsonique en circuit ouvert la plus grande est celle de du NASA Ames Research Center ; elle a une section de test ouverte de80 × 120 ftsoit 24 × 36m, près de 900m; elle dispose de six ventilateurs d'une puissance totale de 100MW(135 000ch).
Elles ont une vitesse d'air allant deMa0,5 àMa1,3, permettant de tester les avions à réaction de transport civil volant généralement autour deMa0,80-0,85. La soufflerie transsonique cryogénique Européenne ETW «European Transonic Wind Tunnel(en)» est établie à Cologne, en Allemagne. La combinaison de la pression (jusqu'à4,5bar) et de la température très basse (jusqu'à−160°C) permet d'obtenir un nombre de Reynolds équivalent à celui des plus grands avions de ligne (Re 80 Mpour l'aile de l'A380). La puissance installée est de 50MW(68 000ch).
Fonctionnant deMa1,5 à 5, elles permettent de tester les avions de combat et les missiles. Exemples, la soufflerie Onera S2 MA, la soufflerie EDITH de la plateforme FAST située au laboratoire ICARE, du CNRS, Orléans.
Les souffleries à rafales, soufflant un air stocké sous haute pression dans des cuves, permettent d'atteindre de très grandes vitesses, jusqu'à 25Machpour tester les véhicules hypersoniques et la rentrée dans l'atmosphère. Exemples, les souffleries Onera S3 (Mach 5,5) et S4 (Mach 12) et F4. La soufflerie à fonctionnement continuMARHyde la plateforme FAST localisée au laboratoire ICARE(Orléans) permet de simuler des écoulements raréfiésMach 20.
Souffleries destinées à la simulation de  certaines conditions de la phase à haute enthalpie des rentrées atmosphériques. Elles permettent de tester la tenue thermique des matériaux utilisés pour la protection thermique des engins spatiaux. Ex:la soufflerie supersonique, haute enthalpie à fonctionnement continuPHEDRAde la plateforme FAST localisée au laboratoire ICARE(Orléans).
Reproduisant les conditions d'un corps en chute libre, elles ont été initialement conçues pour l'entrainement des parachutistes. Également appeléesimulateur de vol en chute libre, la soufflerie est progressivement devenue un sport à part entière, chapeauté en France par laFédération française de parachutismequi œuvre actuellement pour qu'elle devienne sport olympique à partir de 2024. Les pratiquants de plus en plus nombreux ne sont plus forcément parachutistes. La soufflerie sportive dispose maintenant d'équipes nationales et de ses propres compétitions. Cette activité est devenue un loisir.
Les souffleries servent essentiellement à mesurer les pressions locales (sur la surface du modèle), les champs de pressions (en aval du modèle), les forces aérodynamiques deportance(verticale et latérale) et detraînée, lesmoments aérodynamiquessur les trois axes :tangage,roulis,lacet.
L'utilisation de fils souples, de jets d'air colorés ou de produits chimiques sensibles à la nature de l'écoulement permettent de visualiser les lignes d'écoulement et leur nature (attaché, décollé). Lastrioscopiepermet de visualiser les cônes d'ondes de choc en écoulement supersonique.
Le comportement en vol d'un modèle réduit piloté à distance peut être étudié en soufflerie; si le modèle n'est pas propulsé, il peut être testé dans une veine d'air en pente. Quand le modèle est motorisé (par hélice ou par jet d'air comprimé), il peut être testé dans une soufflerie normale.
Il existe des souffleries à axe vertical permettant de tester le comportement des avions envrille.
Les effets climatiques - vent, pluie et neige - sur les ouvrages de génie civil ou sur des véhicules sont étudiés dans des souffleries climatiques comme la soufflerie Jules-Verne duCSTBse trouvant à Nantes. Ce type de soufflerie permet d'étudier :
La grande soufflerie de Chalais-Meudon, voulue par l'ingénieur MinistreAlbert Caquot, conçue par L'ingénieur Lapresle et réalisée en béton armé par G Le Marec fut inaugurée en 1935, une des plus puissantes du monde  à l'époque, elle pouvait contenir un avion de chasse monomoteur à l'échelle 1 et le tester avec une vitesse de veine de 180 Km/H.
Devenue obsolète à la fin des années 60 elle fut désaffectée en 1970 après avoir servi à tester certains éléments du Mirage III.
Dernier cri de la technique aéronautique d'avant guerre, elle figure en bonne place dans un album deBande dessinéedeHergé:Le testament de Mr Pumpde la série des Aventures de Jo, Zette et Jocko, on y assiste aux essais aérodynamiques du "Stratonef,avion révolutionnaire pour l'époque (fortement inspiré des avions de vitesseCaudron Renault) supposé capable de rejoindre New-York à plus de 1000 Km/h de vitesse moyenne. L'infortuné singe Jocko, animal de compagnie des deux jeunes héros de l'histoire, qui a eu la malencontreuse idée de grimper sur l'aile avant un essai, y attrape un rhume carabiné.