Aérodynamique - Définition

Efforts aérodynamiques

Forces

Le champ de pression s'exerçant sur un obstacle induit globalement un torseur d'efforts où l'on considère généralement :

• une force de traînée : F_x, parallèle à la direction moyenne de l'écoulement ;
• une force de dérive : F_y, perpendiculaire à la direction moyenne de l'écoulement, dans le plan horizontal ;
• une force de portance : F_z, perpendiculaire à la direction moyenne de l'écoulement, dans le plan vertical.

L'expression de la force est de la forme générale :

ρ (rhô) = masse volumique de l'air (ρ varie avec la température et la pression) ;

S = surface de référence ;

C = coefficient aérodynamique ;

V = Vitesse de déplacement.

On peut aussi introduire la pression dynamique dans l'expression de la force : .

Surface de référence

Définition de la surface de référence :

• pour une surface portante généralement bien profilée, S est la surface projetée dans le plan horizontal (ou dans le plan vertical pour un empennage vertical ou une dérive),
• pour un objet à forte traînée de forme (traînée de pression) comme une automobile, dont le Cx est 5 à 8 fois celui d'un fuselage d'avion^{[réf. souhaitée]}, on prend plutôt le maître-couple (la surface frontale).

Coefficients

Les coefficients aérodynamiques sont des coefficients adimensionnels servant à quantifier les forces en x, y, z :

• C_x : le coefficient de traînée
• C_y : le coefficient de portance latérale
• C_z : le coefficient de portance

Les forces étant calculées ou mesurées expérimentalement (en soufflerie), les coefficients sont déterminés en posant

où S est la surface de l'objet concerné projetée orthogonalement à la direction {x,y,z} et V la vitesse relative du vent sur l'objet.

La traînée

Le coefficient de est le rapport de la traînée de l'objet étudié à celui d'un corps de même surface qui aurait un Cx de 1.

En aviation, le coefficient de résistance est désigné par le coefficient de traînée, rapporté dans le cas de l'aile à sa surface projetée. La traînée totale est la somme de la traînée parasite (non liée à la portance) et de la traînée induite par la portance. On peut quantifier la traînée totale par un coefficient global rapporté à la surface projetée de l'aile ou à la surface mouillée totale de l'avion.

En aérodynamique automobile, connaître le Cx n’est pas suffisant, il est nécessaire de connaître aussi la surface frontale du véhicule. Dans un bilan de traînées comparées, on utilise le produit S . Cx. On obtient une "surface de traînée" équivalente qui aurait un Cx = 1.

• la force de traînée est :

ρ_air : masse volumique de l’air (1,225 kg/m³ à 15°C au niveau de la mer)^{[réf. souhaitée]}

V  : vitesse de déplacement (en m/s)

S  : surface de référence (surface projetée, surface mouillée, maître couple)

C_x  : coefficient de traînée

• L'équation fondamentale permet de calculer cette force de traînée :

la masse d'air concernée est (à un coefficient caractéristique près) :
l'accélération est (à un autre coefficient caractéristique près) :
La force de traînée est :

La portance

L’équation de la portance est similaire à celle de la traînée avec C_x remplacé par C_z ou bien Cy pour une portance latérale,d'où :

Dans la littérature anglo-saxonne le coefficient C_x est désigné par C_d (drag) et C_z par C_l (lift) la portance. Dans la littérature allemande, C_x et C_z sont désignés respectivement par C_w (Widerstand) et C_a (Achsauftrieb). Les termes C_x et C_z sont sans dimension (ils n'ont pas d’unité).

Rapport Portance / Traînée

La finesse d'une aile est définie par son rapport portance/traînée C_z / C_x.