Aérodynamique de l'engin

[GEORGES70]

Afin de ne pas brouiller les contenus des différents topic, je me permet d'extraire le point aérodynamique soulevé par Fabrice (voir bilan énergétique par passager) pour le replacer sur ce nouveau post.

Première question :

Fabrice soulevait fort justement que le I-80 "de l'époque" ne bénéficiait pas des derniers progrès et raffinements aérodynamiques. A ce sujet, on pouvait noter la présence des ouïes d'admission d'air pour la sustentation. D'où ma question : Serait il possible de concevoir un système de sustentation ou l'air nécessaire serait prélevé sur toute la surface du "toît" de l'engin et réinjecté dessous. Je me demande si cela pourrait participer à la diminution de la traînée aérodynamique de l'engin tout en aidant à l'affinement de sa silhouette.

Deuxième question :

Si je comprend bien la situation du concept, l'accroissement du nombre de passager transportable fait partie des préoccupations techniques à résoudre. Je vois que nous raisonons sur la possibilité de créer de véritables "rames" à l'image du cousin "TGV". Cela génère probablement d'autres problématiques...

J'expliquais sur un autre sujet que la faiblesse du maillage TGV "Grande Vitesse" avait rendu nécessaire une massification du nombre de passager transporté. Par contre, pour l'aérotrain, le faible cout potentiel d'équipement permettrait un maillage plus dense rendant relatif le besoin d'une forte capacité par rame. Mon intuition me mènerait à un raisonnement sur 150 / 200 places max. Soit un peu plus de deux fois la taille de l'I80.

D'où ma question : L'"Ovoisation" de la forme de l'aérotrain, sur le modèle des "wide bodies" dans l'aéronautique, ne permettrait il pas de développer une aérodynamique empruntant partiellement les avantages des avions à effet de sol, rendant possible l'arrêt quasi-total de la ventilation sustentatoire durant la phase "de croisière" ?

[pjskyman]

Si on considère les toits entiers comme un ensemble d'ouïes, cela implique que tout cet ensemble crée un tout premier effet de soulèvement, conformément à l'effet de l'air sur une aile, et cela en complément de la sustentation proprement dite. A 400km/h avec 50m² d'ailettes-ouïes, l'effet ne serait plus si négligeable.

Déjà que sur l'I-80 ils avaient calculé qu'à 480km/h il n'y avait sans doute plus besoin d'alimenter les turbines de sustentation, avec un toit entier en ouïes, cette vitesse-seuil de 480 se voit rabaissée.

[Fabrice]

J'en arrives à me demander si l'utilisation d'un système d'ouies à ouverture variable ne serais pas un avantage.
J'aie un peu peur qu' un système venant du toit génère un maximum de bruits notamment lors du passage du flux d'air vers le bas, et comment faire passer le flux d'air ?

[GEORGES70]

Ben...

Et là je réagis purement d'instinct, n'étant pas du tout de la partie.

Je pense que le fait que le système soit réparti sur une vaste surface serait peut être de nature à en annuler les nuisances. On pourrait supposer que des ouïes à géométrie variable seraient complexe à mettre en oeuvre et à maintenir (cf cout plus élevé de l'appareil et de son entretien). Pour le passage du flux d'air on peut peut être compter
sur une sorte de double "peau", toutes les surfaces pouvant dès lors être mobilisées. Le surcroît de poids pouvant certainement être compensé par l'usage de composites. Enfin, le fait que l'appareil soit plus ovoïde de section pourrait, peut être, favoriser l'apparition partielle d'un effet de sol... Réduisant de fait l'usage des ouïes qui seraient alors refermées. Peut être aussi que la soufflante pourrait entraîner le pompage de sustentation, supprimant de fait le recours à une deuxième motorisation de sustentation...D'où gain potentiel de masse...

Si on pouvait modéliser ou réaliser un modèle réduit de tout cela, cela pourrait apporter des éléments de réponses...

[Damien D.]

M'est avis qu'il nous faudrait un spécialiste en aérodynamique / mécanique des fluides ici.

Vu la taille des ouïes du I-80, je suppose que le volume d'air nécessaire a la sustentation ne soit pas si grand que ca. Je suppute qu'il suffise de bien étudier l'écoulement des flux d'air des ouïes vers les coussins pour ne pas trop freiner l'appareil. Il n'y a qu'a voir ce qu'il se fait en automobile (collecteur d'échappement et d'amission) pour comprendre toute l'importance qu'un bon écoulement de flux peu avoir.
Et, évidement, les ouïes des remorques devront probablement etre placés sur le toit.

Je pense qu'avec toute les technologie de simulation informatique et de modélisation qu'il existe maintenant, il y ai moyen de faire quelquechose de tres efficace.
Et oui, je suppose qu'il faudra mettre en jeu tout un systeme a géometrie variable, étant donné que le comportements des fluides dans les tubulures de sustentation changera avec la vitesse de l'appareil.

Encore une fois, c'est des suppositions! Faudrait vraiment trouver quelqun qui s'y connais dans tout ca.

[Kolia]

Bonjour à tous,

Bien que n'ayant pas la prétention d'être spécialiste en mécanique des fluides, voici quelques réflexions sur le sujet qui pourraient lancer le débat (toute suggestion créative est la bienvenue dans un projet de ce type !).

Considérant uniquement le besoin d'alimentation en air pour assurer la sustentation (la propulsion est un autre débat, moteur électrique ou turbomachine), 3 solutions viennent à l'esprit :

1. Captation par ouvertures frontales (comme sur l'I80)
Avantages : on profite pleinement de l'effet de pression dynamique. Cette pression, croissant comme le carré de la vitesse de déplacement du véhicule, est celle que l'on peut ressentir (en schématisant ...) lorsqu'on passe la main en dehors d'une voiture roulant à pleine vitesse. Pour les phases à grande vitesse, cette augmentation naturelle de pression peut se substituer partiellement voire totalement à la compression des ventilateurs de sustentation, rendant ainsi la sustentation quasi autonome.
Par ailleurs, la traînée aérodynamique générée par ces entrées d'air frontales est inscrite dans la traînée due au maitre couple du véhicule, et ne constitue pas une pénalité supplémentaire.
Inconvénients : l'effet de pression dynamique n'est sensible qu'aux hautes vitesses, les ventilateurs de sustentation ne peuvent donc être totalement supprimés. Cet effet est en outre limité dimensionnellement, et s'accomode mal du cheminement à travers de longs canaux : une perte de charge (perte de pression) conséquente apparaît au fil du cheminement vers l'arrière, ce qui limite son effet sur un véhicule de grande longueur.
Par ailleurs, toute cavité placée dans un écoulement d'air a tendance à générer du bruit de recirculation, pénalisant l'acoustique du véhicule (encore que ceci puisse être amélioré par le biais de "pièges" sous forme de matériaux en nid d'abeille).

2. Captation par écopes latérales positionnées sur les jupes de sustentation
Avantages : peuvent être placées n'importe où sur le véhicule (par exemple au niveau de chacun des coussins d'air à alimenter), peu de cheminement du flux avant d'atteindre le coussin d'air donc peu de perte de pression
Inconvénients : l'effet de pression dynamique est moindre sur des écopes latérales. Par ailleurs il s'agit cette fois ci d'un facteur de traînée aérodynamique supplémentaire sur le véhicule, les écopes "dépassant" du maitre couple. On retrouve également la problématique acoustique ainsi que celle de l'alimentation à basse vitesse nécessitant toujours un ventilateur interne.

3. Captation par écopes situées sur le toit du véhicule (suggestion georges)
Avantages : probablement un petit gain acoustique, en l'absence de recirculations de l'écoulement.
Inconvénients : nombreux ... Aucune possibilité de profiter de l'effet de pression dynamique : un système de captation perpendiculaire à l'écoulement ne capte que la pression statique, c'est à dire la pression ambiante. Il y a donc nécessité d'activer en permanence le ventilateur, qui devra à lui tout seul provoquer le prélèvement de débit nécessaire. Par ailleurs, à grande vitesse se développe autour du fuselage du véhicule une zone dans laquelle les vitesses sont bcp plus lentes que l'écoulement dans lequel il avance, appelée couche limite. Effectuer un prélèvement de débit dans cette couche limite est délicat.
Enfin, il faudrait amener l'écoulement du toit vers les coussins d'air nécessairement situés en bas du véhicule, donc traverser d'une manière ou d'une autre toute la cabine, ce qui sur le plan de l'aménagement intérieur risque de poser problème. En effet, le canal d'alimentation doit présenter des pentes et des coudes extrêmements modérés pour éviter tout phénomène de choc aérodynamique (création d'une discontinuité de l'écoulement conduisant à une réduction sensible du débit, voire à son blocage total). Il est probable que cela nécessite un long serpent de plusieurs mètres courant en courbe douce du toit au coussin d'air ...

4. Toit entier reconverti en écope de captation (suggestion pjskyman)
Sur le plan aérodynamique, cette solution revient en fait à déplacer les ouies frontales de la solution 1. sur le toit, et de canaliser l'écoulement vers les coussins d'air par un système aussi complexe que la solution 3.
Pour reprendre le parallèle avec une aile d'avion, je ne pense pas en première approche que le toit puisse constituer un dispositif générateur de portance, en raison du faible débit qui va passer dans l'écope de captation (faible en regard de la longueur du véhicule). L'idée mérite cependant d'être creusée.

Le look général de l'I80 peut effectivement donner l'impression qu'il serait largement optimisable, mais dans les grandes lignes architecturales qui le composent il n'y a en définitive pas tant de choses à changer ... Si les moyens informatiques et codes de maillage aéro 3D ont fait des progrès considérables depuis les années 60/70, les phénomènes physiques de base sont restés les mêmes, et l'équipe Bertin avait fait preuve d'un sens aigu de l'analyse pour aboutir à une solution des plus pertinentes ... Les moyens de conception actuels permettent l'optimisation des solutions, mais les grandes lignes de ces dernières restent dictées par une vision claire des phénomènes physiques. Il serait certainement extrêmement intéressant de pouvoir récupérer les études théoriques réalisées sur l'Aérotrain sur ces points là ...

[SharksArt]

Personnelement, je connais encore moins de choses que Kolia... Mais je pense qu'il faudrait mixer les ouïes laterale (seulement à haute vitesse) et l'aspiration frontale car au niveau de l'amenagement interieur, mettre des canaux d'air sous le plancher et de la hauteur du rail est tres simple a mettre en œuvre. Le probleme de la captation par le toit, c'est qu'il faut acheminer l'air par les parois et je ne vois pas tres bien comment le faire a basse vitesse :-s De plus, (pure imagination encore :p) un coude dans l'acheminement fait freiner nan?

[Rob]

et ne pas oublier qu'il y avaient un "chariot " pour annuler l'effet de vague produit par les surpression de l'air lorsque le vehicule se raprochait du rail puis se soulevait defaut du premier prototype 001,et qui compenssait ce mouvement

[philouze]

L'aerotrain Rohr :
http://www.shonner.com/aerotrain/pueblo_site.htm
va bien dans le sens de kolia (prise d'air dans le maitre couple) et pousse le concept un peu plus loin que les proto "pur bertin" :
- avancement des ouies pour adoucir la courbe de prise d'air et placer des pièges à son
- meilleur design du sabot avant, qui devient un déflecteur géant
- fuyante arrière mieux travaillée mais se coupant abruptement

En fait on peu faire encore un peu mieux, mais pas non plus des masses que la version rohr :
- passer à plusieurs vagons pour gagner la place nécéssaire a l'emport de plus de passagers et l'affinement des courbes de l'engin , en sachant que la limite est la perte de charge dans le tunnel d'air comprimé de l'engin
- réduire les écopes, les optimiser uniquement pour la haute vitesse qui est le moment ou on gache le plus dénergie, et donc rendre leur ouverture dynamique pour les phases de transition
- appoint démarrage / ralentissement par roues pressées pour dédier le moteur linéaire à la haute vitesse, c'est en effet en tentant de faire un moteur valable a toutes les vitesses qu'on s'est cassé les dents dessus
- enfin augmenter la fuyante du véhicule pour limiter la trainée, de ce point de vue le rohr est une catastrophe de l'arrière

on arriverait à peu près à ça !
http://www.it-france.info/newss/upload/ ... anghai.jpg

et peut être même en plus beau

[Damien D.]

Ha ben je suis tout a fait d'accord avec tout ca, sauf pour la photo du MagLev: il n'as pas de prise d'air =)

[Kolia]

L'aerotrain Rohr :
- réduire les écopes, les optimiser uniquement pour la haute vitesse qui est le moment ou on gache le plus dénergie, et donc rendre leur ouverture dynamique pour les phases de transition

Je ne pense pas que l'on gagne qqchose en ayant une entrée d'air à géométrie variable, dans la mesure où le véhicule ne se déplace que dans un domaine très largement subsonique (430 km/h = Mach 0.35, on est très loin du supersonique). L'intérêt des géométries variables pour les entrées d'air d'avion est de déplacer et répartir les chocs qui apparaissent lorsqu'on est en régime transsonique et supersonique (Mach > 0.8 et > 1). Pas d'ondes de choc dans notre cas, donc pas d'utilité sur ce plan là d'une géométrie variable.
Par ailleurs, le débit nécessaire à la sustentation étant à peu près constant quelle que soit la vitesse d'avancement, la section de l'entrée d'air n'a pas de raison de varier fondamentalement entre véhicule à l'arrêt et véhicule à pleine vitesse.
On a plus à gagner à termes d'optimisation des formes pour minimiser les effets de couche limite et autres traînées de frottement, qui sont certainement les postes principaux de pertes.

[philouze]

salut Kolia , dans ta réponse c'est surtout à ça que je pensais :
"Par ailleurs, le débit nécessaire à la sustentation étant à peu près constant quelle que soit la vitesse d'avancement, la section de l'entrée d'air n'a pas de raison de varier fondamentalement entre véhicule à l'arrêt et véhicule à pleine vitesse."

ben justement. j'imaginais que le débit de sustentation étant constant, contrairement a la pression d'entrée croissant, elle, comme disons, le carré de la vitesse. On pouvait y gagner a choisir la plus petite entrée d'air possible, vu qu'à 350 / 400 kMh, le volume d'air englouti est même supérieur a celui nécéssaire à générer la pression nécéssaire à la sustentation, pour une tubulure de section constante.

On n'est pas comme dans un reacteur d'avion qui doit avaler de l'air proportionnellement à la vitesse qu'on souhaite obtenir, bien au contraire : on arrive vers les 300 a une surpression

ou me goures_je ?

[Kolia]

Effectivement tu as tout à fait raison. J'étais parti sur l'hypothèse que c'était un débit d'air réduit constant qui était nécessaire à la sustentation, alors que c'est simplement un débit d'air vrai qui est constant. La section peut donc être réduite dans le ratio inverse de l'évolution de la pression dynamique, ce qui conduit grosso modo à un rapport de section de 3 entre le démarrage du véhicule et sa "croisière" à 400 km/h.
Au temps pour moi !

[Damien D.]

Ce qui permet de réduire l'éffet "parachute" des entrées d'air, c'est ca?

[philouze]

ben c'est rien, avec ton post #6 j'ai une idée plus claire du problème moi aussi