- La distributed micro-roughness (DMR) retarde la transition vers la turbulence grâce à une micro-rugosité aléatoire, à l’inverse d’un principe vieux de plus de 80 ans selon lequel une surface lisse réduit la traînée
- L’équipe de recherche de Tohoku University a démontré, avec un 1m magnetic support balance system, qu’une surface DMR peut réduire la traînée jusqu’à 43,6 % en étant mesurée sans interférence de support
- Les DMR expérimentales prennent la forme de motifs convexes à base de billes de verre de 38 à 53 micromètres et de motifs concaves obtenus par sablage, avec une hauteur ne représentant que 1 % de l’épaisseur de la couche limite
- Sur les modèles avec DMR, le nombre de Reynolds critique est passé d’environ 1,9×10⁶ à 2,2×10⁶, et le coefficient de traînée est resté inférieur à celui d’une surface lisse jusqu’à 3,6×10⁶
- Contrairement aux alvéoles des balles de golf ou aux riblets inspirés de la peau de requin, la DMR réduit surtout le frottement pariétal plutôt que la traînée de pression, et constitue une technologie passive sans dépendance à la direction de l’écoulement, sans alimentation ni pièces mobiles
Changement de paradigme dans la réduction de la résistance de l’air
- Pour les avions à grande vitesse, les automobiles et les trains à grande vitesse, la résistance de l’air constitue un obstacle majeur à l’augmentation de la vitesse et à la baisse de la consommation d’énergie
- Lorsqu’un objet se déplace à grande vitesse, une fine couche d’air appelée couche limite se forme à sa surface, et cette couche peut être en régime laminaire ordonné ou turbulent désordonné
- Plus le régime laminaire, moins dissipatif, se maintient longtemps, plus la résistance de l’air diminue, mais à mesure que la vitesse augmente, l’écoulement finit par basculer vers la turbulence
Le principe de la surface lisse, dominant depuis plus de 80 ans
- En aéronautique, l’idée qu’il faut une surface lisse pour réduire la résistance de l’air est admise depuis plus de 80 ans
- Cette hypothèse repose sur des travaux menés en 1940 par le scientifique japonais Ichiro Tani
- Tani y examinait le lien entre rugosité de surface et transition vers la turbulence
- Il considérait que la rugosité de surface, difficile à éviter avec les techniques de fabrication de l’époque, empêchait l’obtention d’un écoulement laminaire
- En 1989, Tani a réinterprété des données expérimentales obtenues dans les années 1930 par le mécanicien des fluides Johann Nikulase sur des tuyaux à surface rugueuse
- Cette relecture a laissé entrevoir que la rugosité ne favorise pas forcément toujours la transition turbulente ni n’augmente systématiquement la résistance du fluide
- Dans les années 1990, l’équipe de Yasuaki Kohama à Tohoku University a montré que de fines aspérités fibreuses pouvaient, dans certaines conditions, retarder cette transition
Validation expérimentale de la distributed micro-roughness (DMR)
- L’équipe de la professeure associée Aiko Yakino, à l’Institute of Fluid Science de Tohoku University, a démontré qu’une simple distributed micro-roughness (DMR) — une rugosité de surface minuscule et irrégulière, difficile à distinguer à l’œil nu — peut réduire la traînée jusqu’à 43,6 %
- La DMR fonctionne différemment des riblets, technologie classique de réduction de traînée souvent décrite comme un traitement « peau de requin »
- Les riblets imitent les fines rainures longitudinales de la peau de requin
- Elles consistent à graver des rainures d’environ 0,1 mm de large dans le sens de l’écoulement de l’air afin d’aligner les tourbillons proches de la paroi dans la zone turbulente
- La DMR, elle, retarde la transition entre régime laminaire et turbulent grâce à des micro-aspérités aléatoires
- Les deux approches diffèrent à la fois par la zone d’écoulement qu’elles affectent et par leur mécanisme d’action
Mesures en soufflerie sans support
- Les essais classiques en soufflerie souffraient d’une limite : les tiges et câbles servant à maintenir le modèle perturbaient l’écoulement de l’air
- Les faibles variations de traînée produites par une rugosité de surface à l’échelle micrométrique pouvaient ainsi être masquées par la structure de support
- Le 1m magnetic support balance system (1m-MSBS) de l’Institute of Fluid Science de Tohoku University réduit ce problème
- Il fait léviter sans contact, grâce à la force électromagnétique, un modèle profilé d’environ 1,07 m de long dans la soufflerie
- Il élimine les interférences sur l’écoulement autour du modèle en supprimant tout support ou autre moyen de maintien
- L’équipe a mesuré le coefficient de traînée total de surfaces lisses et de surfaces revêtues de DMR dans une plage de nombres de Reynolds allant de 0,35×10⁶ à 3,6×10⁶
- Le nombre de Reynolds représente le rapport entre forces d’inertie et forces visqueuses dans un fluide
- Il sert d’indicateur clé pour prévoir si l’écoulement sera laminaire ou turbulent
Structure de la DMR et résultats des mesures
- Deux types de DMR ont été utilisés dans l’expérience
- des motifs convexes réalisés avec des billes de verre de 38 à 53 micromètres de diamètre
- des motifs concaves obtenus par sablage
- La hauteur du revêtement DMR ne représente que 1 % de l’épaisseur de la couche limite, ce qui le classe, du point de vue de l’aérodynamique, parmi les « surfaces lisses »
- Sur les modèles revêtus de DMR, le nombre de Reynolds critique marquant le début de la transition turbulente est passé d’environ 1,9×10⁶ à 2,2×10⁶
- Dans la zone de transition, la traînée a été réduite jusqu’à 43,6 %
- Les surfaces avec DMR ont présenté de manière constante un coefficient de traînée inférieur à celui des surfaces lisses jusqu’au nombre de Reynolds maximal mesuré, soit 3,6×10⁶
Un mécanisme qui réduit le frottement pariétal, pas la traînée de pression
- La résistance de l’air se divise globalement en traînée de pression et traînée de frottement
- La traînée de pression apparaît lorsque l’écoulement se décolle de la surface à l’arrière de l’objet
- La traînée de frottement provient de la viscosité de l’air s’écoulant sur la surface, et elle diminue lorsque l’écoulement reste laminaire
- Pour distinguer l’origine de l’effet de la DMR, l’équipe a utilisé la large eddy simulation (LES)
- La LES est une méthode de mécanique des fluides numérique qui calcule directement les grandes structures turbulentes et approxime par modèle les plus petites
- Dans cette étude, la LES a utilisé une résolution maximale de 45,38 millions de wall cells
- Une analyse par oil flow visualization, notamment à l’aide de peinture fluorescente, a aussi été utilisée pour observer l’écoulement à la surface
- Dans l’analyse LES, la borne supérieure conservative de la traînée de pression dans un calcul laminaire sans perturbation artificielle a été fixée à Cp≈0,00021
- Cette valeur correspond à la valeur théorique à moins de 1 % près
- La réduction de traînée observée dans cette étude, ΔCD≈0,001, est environ cinq fois plus élevée que cette borne supérieure
- Même si le décollement à l’arrière de l’objet était totalement supprimé, cela n’expliquerait qu’environ 20 % de la réduction observée
- Il a ainsi été confirmé quantitativement que le principal facteur de réduction de traînée apporté par la DMR n’est pas la suppression du décollement, mais bien la réduction du frottement pariétal lui-même
Différences avec les alvéoles des balles de golf et la peau de requin
- Le principe de la DMR diffère de l’effet des alvéoles des balles de golf
- Les alvéoles rendent volontairement l’écoulement turbulent afin de limiter le décollement à l’arrière et de réduire la traînée de pression
- La DMR retarde la transition vers la turbulence et réduit donc non pas la traînée de pression, mais le frottement pariétal
- La DMR présente aussi des avantages distincts par rapport aux riblets
- Pour être efficaces, les riblets doivent être usinés avec précision dans l’axe de l’écoulement de l’air
- La DMR repose sur une rugosité de surface aléatoire et ne dépend pas de la direction de l’écoulement
- C’est une technologie passive qui ne nécessite ni pièces mobiles ni alimentation électrique
Potentiel d’application et prochaines étapes
- Appliquée aux avions, la DMR pourrait améliorer l’efficacité énergétique, réduisant ainsi les coûts d’exploitation et les émissions de dioxyde de carbone
- L’équipe prévoit d’optimiser davantage la forme et la densité de distribution de la DMR, ainsi que d’élargir la plage de vitesses où elle peut être appliquée
1 commentaires
Commentaires sur Hacker News
Toute personne ayant déjà pratiqué la voile de compétition ou les courses sur foils sait que la friction est la plus faible et l’écoulement laminaire le meilleur quand la surface immergée a été poncée finement avec du papier abrasif grain 1000 à 1500
Dans l’air, ce n’était pas censé être le cas, et j’ai toujours trouvé étrange qu’on dise qu’une aile d’avion devait être parfaitement polie ; apparemment, un profil aérodynamique bénéficierait lui aussi d’une micro-rugosité pour minimiser la friction
Il est surprenant qu’un fait aussi simple soit resté inconnu dans un domaine qui fait l’objet d’autant de recherches et de financements ; on dirait presque que seuls les chercheurs qui rédigent les articles ne le savaient pas
Cette zone se situe entre l’écoulement laminaire et turbulent ; le laminaire présente en général une traînée cinq fois plus faible que le turbulent et apparaît pour des nombres de Reynolds d’environ 500 000 à 1 000 000
Une planche de surf est à un nombre de Reynolds de 10^7, donc entièrement en régime turbulent, tandis qu’un avion Cessna se situe autour de 1 à 5x10^6
En revanche, le procédé concret et sa mise en œuvre peuvent être plus nouveaux, ou légèrement différents de ce qui existait avant
Nous vivons dans une société sensationnaliste où les améliorations incrémentales, et parfois même de simples copies, sont décrites comme des révolutions
Si on vous promet qu’un 737 consommera 40 % de carburant en moins, ça n’arrivera pas, mais les procédés de fabrication de l’enveloppe d’un avion peuvent sans doute être un peu améliorés
On ne peut pas reponcer le fuselage chaque semaine, et il faut aussi que cela fonctionne de manière fiable sans maintenance
D’après ce que j’avais appris en étudiant l’aérodynamique des planeurs RC, l’air couvre une plage de « viscosité » plus large, exprimée par le nombre de Reynolds selon la taille et la vitesse de l’appareil
Entre une balle de golf, un avion RC, un jet commercial et un avion de chasse, l’aérodynamique idéale ou les techniques utiles (winglets, alvéoles) peuvent varier considérablement
Il est aussi intéressant de constater que l’efficacité des winglets est connue depuis longtemps, mais que leur généralisation à presque tous les avions de ligne est relativement récente
L’idée était d’imiter la micro-rugosité de la peau de requin
L’article scientifique est ici : https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mec...
J’ai toujours entendu dire que « plus une surface est lisse, plus la traînée aérodynamique est faible », donc c’est surprenant que ce ne soit pas toujours vrai
On entend depuis toujours que les alvéoles des balles de golf réduisent la traînée
Les alvéoles rendent intentionnellement l’écoulement turbulent et empêchent le décollement à l’arrière, ce qui réduit la traînée de pression, tandis que le DMR retarde la transition et réduit non pas la traînée de pression mais bien la friction pariétale elle-même
Ce sont deux mécanismes opposés
Je me demande simplement quelle est l’ampleur de l’écart en termes relatifs
Certaines améliorations valent l’effort, mais il faudrait au moins 20 % pour que cela paraisse convaincant, et si tout le monde utilisait des balles de golf alvéolées, ce ne serait qu’une expérience de pensée
Alors pourquoi les balles de ping-pong n’ont-elles pas d’alvéoles ?
Les vortex réduisent la traînée en fragmentant les grosses poches d’air
Les surfaces arrondies comme une balle tirent profit des alvéoles, mais ce n’est peut-être pas le cas pour des surfaces plus droites, comme une flèche
Je n’en suis pas certain, mais j’imagine que la vitesse joue aussi
Mon bloqueur de pub a sans doute interféré avec la fonction « s’abonner pour lire », mais la manière dont ça a échoué était assez drôle
Quand on ouvre la page, on voit l’image principale et le titre, puis juste en dessous « Subscribe to listen [9 minutes] » et une phrase comme « La traînée aérodynamique est un obstacle majeur pour les avions à grande vitesse, les voitures et les trains à grande vitesse… »
Ensuite, il n’y a plus que les commentaires et des liens vers d’autres articles, sans aucun indice laissant penser qu’il y a un corps d’article au-delà de l’enregistrement audio
Cela explique peut-être certains commentaires de gens qui « n’ont pas lu l’article ». Bon, cela dit, ça arrivait déjà avant
Un lien d’archive serait presque préférable
Certains sites sont devenus assez agressifs ces derniers temps
Ce passage ressemble soit à une erreur, soit à une longue histoire à lui tout seul
Il dit qu’en 1940, le scientifique japonais Ichiro Tani a montré le lien entre la rugosité de surface et la transition vers la turbulence, et qu’il affirmait que la rugosité de surface, inévitable avec les techniques de fabrication de l’époque, empêchait d’obtenir un écoulement laminaire
Mais si, en 1989, Tani a réinterprété les données des expériences de l’ingénieur des fluides des années 1930 Johann Nikulase sur des tuyaux à surface rugueuse pour proposer que « la rugosité ne favorise pas nécessairement la transition vers la turbulence ni n’augmente seulement la résistance du fluide », alors cela voudrait dire qu’il a travaillé sur le même problème pendant 49 ans
En fait, c’est possible, puisqu’il est mort en 1990
Si la méthode d’application est aussi simple qu’un sablage, cela semble rendre l’adaptation sur des avions existants assez facile.
Si cela fonctionne comme annoncé, on serait en pratique proche d’une amélioration gratuite de l’efficacité énergétique applicable le jour même.
Cela dit, je n’ai pas vu le chiffre net réel de l’amélioration.
Les pourcentages mentionnés dans l’article se limitent à la « zone de transition » et, même s’il est dit que les coefficients s’améliorent globalement, si en théorie le gain sur l’ensemble du profil aérodynamique est proche de zéro, cela peut être presque sans intérêt.
En conditions réelles, cela semble aussi très difficile de maintenir durablement une dégradation aussi précise, puisqu’il y a plus de risques d’encrassement ou d’usure.
Pour modifier un avion donné, il y aura probablement beaucoup de barrières réglementaires avant les essais ou la certification.
C’est particulièrement vrai pour un appareil certifié, et même dans le monde des avions expérimentaux, il pourrait y avoir des réticences à sabler l’aile de quelqu’un.
Si cette technique n’a pas déjà été tentée, je pense qu’elle a plus de chances d’être d’abord expérimentée en Formula 1 ou dans un domaine similaire.
Une entreprise affirme jusqu’à 4 % d’économie de carburant : https://mako.aero/insights/delta-partners-with-mako-to-test-...
Un simple revêtement peut faire la différence entre tenir 10 000 vols sous des variations de température quotidiennes ou seulement 1 000, donc cela doit être pensé dès le départ.
Les ailes d’avion subissent une érosion due à la vitesse élevée et aux particules dans l’air, c’est-à-dire la poussière, la glace, les cendres volcaniques, ainsi que la pluie et l’eau.
Cette érosion est déjà un problème qui demande d’importantes mesures d’atténuation, donc rendre volontairement la surface rugueuse pourrait produire des effets inattendus ou devenir un problème plus grave.
Cela dit, cette technique me semble tout de même digne d’être testée.
C’est une découverte intéressante, mais elle ne renverse pas les principes fondamentaux.
En mécanique des fluides, on apprend qu’il existe la traînée de forme, ou traînée de pression dans les termes de l’article, et la traînée de frottement de surface.
Les deux sont en tension l’une avec l’autre selon le nombre de Reynolds.
Si l’on maintient l’écoulement laminaire, la traînée de frottement de surface diminue, donc une surface lisse paraît avantageuse ; mais si l’on maintient l’écoulement attaché plus longtemps, par exemple via la transition vers la turbulence ou l’injection d’air, on peut réduire la traînée de forme, au prix d’une hausse du frottement de surface due à la turbulence.
Cette étude donne l’impression d’avoir trouvé une bonne manière de conserver l’écoulement laminaire tout en retardant le décollement de l’écoulement, mais les principes de base n’ont pas changé.
« Une surface lisse donne une traînée plus faible » n’a jamais été une règle générale ; ce n’est vrai qu’à certaines échelles.
https://archive.ph/DbcqV
https://archive.is/20260524231039/https://www.wired.com/stor...
Le système de balance autoporté capable de faire léviter sans contact un modèle profilé dans une soufflerie grâce à la force électromagnétique est assez impressionnant.
Les variations de l’intensité du champ magnétique nécessaire pour maintenir l’objet en suspension servent probablement aussi d’indicateur des variations des forces exercées sur l’appareil.