Résumé :
Des chercheurs de l'Université du Colorado à Boulder ont proposé une nouvelle méthode qui utilise de minuscules vibrations à l'intérieur des matériaux pour réguler le flux d'air. À l’avenir, il devrait réduire les turbulences et la traînée sans modifier la forme de l’avion, améliorant ainsi le rendement énergétique.
Les avions de ligne peuvent naviguer à des vitesses d'environ 640 milles à l'heure. L'air près de la surface de l'aile crée une couche limite turbulente, qui augmente la résistance au vol, réduit l'efficacité du vol et entraîne une consommation de carburant plus élevée. Un avion commercial peut consommer plus de 10 000 gallons de carburant lors d'un vol cross-country, de sorte que même une légère augmentation de l'efficacité pourrait entraîner des économies significatives pour les compagnies aériennes.
Mahmood I. Hussain, professeur au Département des sciences de l'ingénierie aérospatiale de l'Université du Colorado à Boulder, et son équipe explorent une autre voie : au lieu de simplement remodeler les contours extérieurs de l'avion pour contrôler la traînée, ils peuvent placer des matériaux synthétiques sous la surface et utiliser les vibrations microscopiques générées par les matériaux pour affecter le flux d'air, réduisant ainsi les turbulences et améliorant l'économie de carburant.
L'équipe de Hussain a récemment publié des articles dans "Physical Review
Hussein a déclaré que depuis la naissance de l'industrie aéronautique, l'idée dominante du contrôle de la traînée a été de changer la forme de l'avion. Aujourd'hui, les chercheurs ont proposé un nouveau concept : utiliser des matériaux qui interagissent dynamiquement avec le flux d'air pour affecter la traînée de surface, améliorant ainsi les performances de l'avion d'une manière sans précédent. En plus de sa nomination au Département des sciences du génie aérospatial, Hussein occupe un poste simultané au Département de physique et est affilié au programme de science et génie des matériaux.
Le cœur de cette recherche concerne les « phonons ». Les phonons ne sont pas des mouvements macroscopiques de la structure entière, mais des vibrations extrêmement infimes se produisant au sein du matériau. Bien que ces mouvements soient de faible ampleur, s’ils pouvaient être contrôlés, cela pourrait modifier la manière dont la surface du matériau interagit avec l’air en circulation.
La recherche autour de ces vibrations internes s'appelle la phononique. Hussain participe à la promotion du développement de ce domaine depuis plus de deux décennies et a contribué à la création de la série de conférences « Phononics 20xx » en 2011, qui est aujourd'hui devenue une importante plateforme d'échange internationale pour les chercheurs dans ce domaine.
En 2015, Hussein a proposé le concept de « phonon souterrain », qui consiste à disposer des structures spécialement conçues sous la surface des matériaux afin qu'elles puissent contrôler passivement les vibrations à l'interface entre la surface et le fluide. Dans le passé, les conceptions développées par son équipe et d’autres chercheurs ne fonctionnaient souvent qu’à une seule fréquence.
Les dernières recherches montrent que la conception du sous-sol des phonons dans une structure enroulée peut étendre son effet à une gamme de fréquences. Ce phénomène, connu sous le nom de « superrésonance », résout une limitation majeure des conceptions antérieures : il permet à la structure d'interagir avec une gamme plus large de composantes de fréquence trouvées dans les turbulences réelles.
Hussain a déclaré que l'équipe ne pouvait initialement gérer qu'une seule fréquence, mais a ensuite voulu couvrir une gamme de fréquences plus large, car c'est ainsi que les turbulences dans le monde réel sont générées de cette manière à large bande. Aujourd’hui, cet objectif a été atteint. La structure des phonons enroulés brise les limites de longue date des stratégies de contrôle du flux laminaire.
"Interférence sans diffusion" résout un autre problème. Au lieu de simplement placer un phonon sous la surface à un seul endroit, les chercheurs peuvent disposer plusieurs structures dans une grille ou un treillis, étendant leur influence en aval du flux d'air sur une zone plus vaste, comme une aile d'avion ou la surface du fuselage d'un véhicule hypersonique.
Hussein a déclaré que cette approche permet un contrôle efficace en aval. Le contrôle en aval et le contrôle du haut débit constituent deux des principales limites de la technologie depuis son introduction il y a plus de dix ans, et l'équipe a désormais résolu ces deux problèmes.
Les deux avancées se complètent, a noté Adam Harris, doctorant en science et ingénierie des matériaux dans le laboratoire de Hussein et co-auteur des deux articles. L'interférence sans diffusion permet d'atténuer le comportement spatial des champs d'écoulement instables en aval du sous-sol des phonons ; la superrésonance élargit la gamme de fréquences sur laquelle le contrôle peut être efficace. La combinaison des deux rapproche le concept original de phonon souterrain de la flexibilité requise dans les environnements d’écoulement réels.
À l'heure actuelle, ces résultats proviennent principalement d'études informatiques, mais les sous-surfaces des phonons n'en sont plus complètement au stade théorique. Des équipes de recherche du monde entier ont créé des prototypes physiques fonctionnels et s’orientent vers des tests en soufflerie.
Hussein a déclaré que l'équipe espère briser la pensée traditionnelle selon laquelle "le contrôle du flux ne peut s'appuyer que sur la modification de la forme de la surface exposée, ou, ces dernières années, sur des actionneurs actifs". Grâce aux sous-surfaces de phonons, une aile ou un fuselage conserve sa forme, sa planéité et ses propriétés passives d'origine, tandis que le matériau situé en dessous est conçu pour interagir avec le flux d'air de manière très ciblée.
Bien que les recherches actuelles soient principalement orientées vers le domaine aérospatial, les utilisations potentielles de la superrésonance et des interférences sans diffusion ne se limitent pas aux avions. Hussein estime que les navires, les pipelines, les turbines et tout système affecté par les turbulences pourraient en bénéficier ; en fait, les deux idées pourraient même avoir des applications au-delà du contrôle de flux.
Les recherches pertinentes portent également sur les problèmes de flux hypersoniques et sont soutenues par un programme de recherche universitaire multidisciplinaire sur cinq ans de 7,5 millions de dollars américains du Bureau de recherche navale du ministère de la Défense des États-Unis.
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