LA COUCHE LIMITE ET LE DECROCHAGE

Imaginons un écoulement d'air sur une surface plane. Etant donné que l'air a une certaine viscosité, il aura tendance à adhérer à la surface (souvenez vous de l'effet Coanda avec le filet d'eau venant du robinet et suivant la forme de l'objet sur lequel il coule).

Au niveau de la surface même, les forces de viscosité et de frottement vont ralentir l'écoulement si fortement qu'il pourra être considéré comme étant à l'arrêt; un peu plus loin de la surface, l'effet sera moindre et la vitesse plus grande et ainsi de suite en s'éloignant.

La couche limite est cette zone où la vitesse d'écoulement est ralentie par la paroi. Elle commence au contact de la surface là où la vitesse d'écoulement est pratiquement nulle et s'étend jusqu'à la distance où la vitesse d'écoulement est égale à celle du flux libre (qui, comme son nom l'indique, est le flux qui n'a pas été influencé par le frottement sur la paroi).

Attention: l'épaisseur d'une couche limite est variable suivant entre autre, la vitesse (plus la vitesse est élevée, plus la couche est mince) et l'état de la surface (plus la surface est lisse, plus la couche est mince).

La couche limite fait donc le lien entre le flux libre et la paroi.

Pour qu'il y ait une portance, il faut un déplacement rapide du flux d'avant en arrière et une adhérence de ce flux sur le profil pour suivre la courbe vers le bas. Lorsque l'angle d'attaque de l'aile est trop grand, l'air ne peut plus suivre le profil, la couche limite n'est plus entraînée par le flux, elle a tendance à s'arrêter, à se décoller de la paroi, aspirée par la dépression qui règne un peu plus haut (là où le flux est encore en mouvement).

Après s'être ainsi décollée, elle retombe et forme des turbulences comme ceci:

Comme vous pouvez le voir, les turbulences correspondent à un arrêt voir même à une inversion du sens de l'écoulement. Or, il ne peut y avoir de portance sans un écoulement à la fois rapide et dans le bon sens.

Par conséquent, lorsque l'angle d'attaque devient trop grand, la portance se perd; ce phénomène s'appelle: le décrochage.

Comment lutter contre ce décrochage, ou, tout au moins le retarder ? En faisant en sorte que la couche limite ait "envie" de rester collée à la paroi et en lui rendant de l'énergie.

Plusieurs techniques existent:

1) L'aspiration de la couche limite: une série de trous sont réalisés sur l'extrados, par lesquels on "aspire" la couche limite qui reste alors plus longtemps plaquée à la paroi (elle finira tout de même par se détacher, mais plus tard, c'est à dire à un angle d'attaque plus grand).

En restant plaquée à la paroi,la couche limite ne fera pas de turbulence,elle sera continuellement aspirée et remplacée par de l'air en provenance des couches supérieures.

Ce système est peu utilisé, il n'est d'ailleurs pas facile de produire une telle aspiration.

2) Le soufflage de la couche limite: de l'air prélevé sur le compresseur du ou des réacteurs est injecté dans la couche limite dans le sens de l'écoulement.

La couche limite est ainsi réaccélérée. (La flèche rouge indique l'injection d'air).

Remarque: le slat à fente réalise un peu le même genre de chose, l'air qui passe par la fente est dirigé sur l'extrados dans le sens de l'écoulement, et en plus, le système fonctionne sans faire appel à un compresseur de réacteur, et est donc utilisable sur tous les avions.

Sur ce dessin, en plus de la fente du slat (au bord d'attaque), une autre fente est placée au niveau du volet pour bien montrer que le soufflage de la couche limite, au niveau de l'extrados de l'aile, par la fente du slat, part du même principe que celui des volets à fente(s) ou des volets Fowler.

Dans ce cas c'est le décrochage au niveau des volets que l'on essaie ainsi d'éviter.

3) La création de tourbillons transversaux: en effet, un tourbillon est le siège d'un mouvement de rotation rapide et même très rapide. Les tourbillons longitudinaux que l'on voit apparaitre lors d'un décrochage par exemple sont néfastes puisqu'ils ramènent l'air en direction de l'avant comme ceci:

Ce n'est pas le bon sens, et pour 2 bonnes raisons:

  1. On veut que l'air aille vers le bas derrière l'aile; étant donné la pente de l'aile due à son angle d'attaque, aller vers l'avant c'est remonter.
  2. L'aile se déplace d'arrière en avant, si l'air fait de même, il "accompagne" de faite l'aile et donc n'a plus ou presque plus de vitesse PAR RAPPORT à elle.

Sans vitesse relative de l'air par rapport à l'aile, pas de dépression et donc pas de portance.

Les tourbillons transversaux, par contre, tournent perpendiculairement à l'écoulement, ils ne "remontent pas la pente" et, par conséquent, ils ne "compensent" pas la vitesse de déplacement de l'aile.

Leur vitesse (latérale) est donc utilisable pour créer une dépression façon Bernouilli, et cette vitesse se combine à celle du déplacement de l'aile comme ceci:

Donnant une résultante plus grande que la vitesse de l'avion donc une meilleure portance.

En tournant rapidement,ces tourbillons "soufflent" sur la couche limite et lui rendent énergie et mouvement.

Attention, si l'augmentation de portance par effet "Bernouilli" (donc une baisse de pression statique) est ici évident du fait de l'accélération de la vitesse de l'air (l'orientation "désaxée" de la résultante ne pose aucun problème), il ne faut pas oublier l'aspect "déviation d'air vers le bas" qui est moins facile à "débusquer" mais néanmoins obligatoirement présent (voir: ici)