Comment les modèles de soufflerie sont-ils utilisés lors de la conception d'avions supersoniques?

Il y a deux choses impliquées: la traînée des vagues et la séparation des couches limites. La traînée d'onde dépend du nombre de Mach tandis que ce dernier dépend du nombre de Reynolds du flux. Il est facile de maintenir le nombre de Mach entrant car il est indépendant de la géométrie; cependant, le nombre de Reynolds dépend de la géométrie du modèle.

Si l'air est utilisé comme milieu, alors en supposant que le débit doit être maintenu à un nombre de Mach constant, et u seront fixés par les relations dynamiques du gaz. μ est à peu près hors de nos mains, donc le seul paramètre non fixe est d .$\rho$$u$$\mu$$d$

Étant donné que est beaucoup plus petit pour un modèle que pour un avion réel, le flux aura un Re inférieur à celui d'un avion réel. Cela donnera des caractéristiques de séparation de flux différentes pour un modèle que pour un avion réel.$d$$\text{Re}$

Dans les tests subsoniques, la seule chose qui compte est , qui peut être affiné pour correspondre à la taille réelle en ajustant u pour un d donné . Mais dans le flux supersonique, nous n'avons pas ce luxe, car u est décidé par le nombre de Mach du flux entrant.$\text{Re}$$u$$d$$u$

Alors, comment les modèles de soufflerie sont-ils utilisés pour la conception d'avions, d'engins spatiaux et de missiles? Existe-t-il des techniques de correction pour mieux prédire la séparation des flux? Les mêmes techniques peuvent-elles être utilisées pour traiter les données CFD?

Dans la communauté de la dynamique des fluides il y a environ 40 ans, le groupe était principalement divisé en expérimentateurs et théoriciens. Cependant, à cette époque, CFD était tout à fait nouveau, devait être exécuté sur des superordinateurs coûteux et non fiables. Il était assez courant qu'un théoricien ou expérimental minimise au mieux les résultats du CFD, tandis que d'autres pourraient totalement ignorer les résultats du CFD comme étant inutiles. En fait, mon ancien conseiller de doctorat, le Dr David Whitfield, a été l'un des premiers pionniers de l'utilisation du CFD aux côtés des expériences aérodynamiques au Arnold Engineering Development Complex (AEDC). Cette référence explique bien la réflexion sur le CFD à cette époque:

À l'AEDC, le CFD était utilisé pour compléter les tests en soufflerie, mais selon le Dr Whitfield, peu de gens croyaient au CFD au début des années 1970.

"En fait", a-t-il dit, "mes efforts pour promouvoir la CFD au sein de l'AEDC au début des années 1970 m'ont probablement fait expulser ou franchir la plupart des portes en acajou. Cependant, lorsque la CFD a été utilisée pour expliquer la source du problème d'angularité du débit dans la section de test du 16T, et lorsque le groupe CFD du boursier AEDC du Dr John Adams à VKF a expliqué comment un tunnel fonctionnait à Mach 12 et non Mach 16 comme on le pensait précédemment, CFD a trouvé une nouvelle vie. "

"On m'a dit une fois que" l'AEDC est un lieu de données de test, et il n'y a pas de place pour le CFD ", a-t-il expliqué. «Notre objectif était d'aider ceux qui exploitent les tunnels à mieux faire leur travail. Je ne pense pas que l'AEDC devrait être simplement un lieu de« données de test ». Il devrait plutôt être un lieu de solutions et de compréhension physique des problèmes. , et cela peut être mieux accompli par la coopération mutuelle entre ceux qui se concentrent sur les expériences et ceux qui se concentrent sur les chiffres. "

À cette époque, le concepteur concevait généralement un nouveau prototype et l'envoyait dans la soufflerie pour le tester, et peut-être que certains CFD seraient exécutés en même temps. Il y avait généralement de nombreux prototypes construits et testés, ce qui était très coûteux. Une de ces installations expérimentales où je travaillais facturait 16 000 $ par jour de test. D'un autre côté, avec le développement de codes CFD open source robustes, tels que OpenFoam, et des ordinateurs en cluster, les simulations CFD sont assez bon marché.

Ainsi, au fil du temps, CFD a commencé à mûrir et, avec la popularisation des ordinateurs en grappe, il est devenu tout à fait possible de fonctionner à moindre coût. Avec de plus en plus de validations d'expériences publiées dans des revues telles que le journal AIAA, les modèles CFD ont commencé à faire de plus en plus confiance. De nos jours, le coût de l'exécution des expériences est beaucoup plus cher que celui des simulations CFD. Par conséquent, davantage de simulations CFD sont utilisées dans les étapes de conception initiales, avec de nombreuses itérations dans les deux sens, et même de nos jours, l'optimisation de la conception basée sur CFD (CDO) est souvent utilisée dans le processus de conception.

De nos jours, je crois comprendre que les souffleries sont utilisées de nos jours principalement pour les raisons suivantes: (1) tester des prototypes finalisés, et (2) mener des recherches fondamentales sur les écoulements supersoniques, en particulier afin de développer des modèles numériques plus précis.

En ce qui concerne la similitude des flux, lorsque vous avez deux nombres non dimensionnels différents, tels que le nombre de Reynolds et le nombre de Mach, l'expérimentateur doit choisir le nombre le plus important à faire correspondre. Pour les écoulements subsoniques, le nombre de Reynolds doit être utilisé, tandis que pour les écoulements transsoniques et supersoniques, le nombre de Mach doit être utilisé.

$^{\circ}$C, mais n'atteint qu'un nombre maximal de Reynolds de 50 millions par mètre. Avec une longueur de section de test maximale de 9 mètres, le nombre maximal possible de Reynolds serait de 450 000 000, soit toujours moins de la moitié de celui d'un Boeing 747. Dans ces cas, les gens ont développé des lois de mise à l'échelle pour savoir comment adapter les résultats au plus grand Le numéro de Reynold. La mise à l'échelle est principalement liée à l'épaisseur de la couche limite, qui affecte également d'autres choses comme le frottement de la peau, et finalement le soulèvement et la traînée. Une conférence spéciale s'est tenue à l'Université de Princeton en 2003 pour discuter de ces questions. Les résultats de cette conférence ont été ce livre: http://link.springer.com/book/10.1007/978-94-007-0997-3

D'après mon expérience, les expériences ne sont utilisées que pour:

• valider les méthodes numériques
• résoudre les caractéristiques d'écoulement qui ne sont pas correctement capturées par CFD (par exemple écoulement instationnaire, différences d'échelles de longueur et de temps, interaction fluide-structure)

Comme l'a dit @Wes, la qualité et la précision du CFD moderne sont si élevées combinées à la puissance de calcul des clusters modernes que la conduite d'expériences simples n'en vaut normalement plus la peine.