Un avion de ligne fend le ciel à 640 mph (soit 1030 kmh), ses ailes martelées par le vent et la turbulence de couche limite, mettant à l’épreuve le fonctionnement et l’efficacité de l’appareil. Les travaux de Mahmoud I. Hussein visent à prévenir cette turbulence grâce à des vibrations microscopiques issues de matériaux synthétiques placés sous la surface, capables d’améliorer considérablement le rendement énergétique.
Les avions commerciaux consomment plus de 10 000 gallons ( ou 37854 litres) de carburant lors d’un seul vol transcontinental ; des améliorations du rendement énergétique pourraient donc générer d’importantes économies pour les compagnies aériennes.
Dans de nouveaux articles publiés dans Physical Review X et Proceedings of the Royal Society A, Hussein et son équipe rapportent deux découvertes qui rapprochent la recherche de la réalité : super-résonance et interférence sans diffusion.
« Le paradigme dominant depuis les débuts de l’aviation consiste à contrôler la traînée uniquement en façonnant l’aéronef. Nous avons désormais un nouveau concept pour influencer la traînée de surface à l’aide de matériaux capables d’interagir dynamiquement avec l’écoulement d’air, améliorant ainsi les performances de l’appareil d’une manière sans précédent », a déclaré Hussein, professeur au département Ann et H.J. Smead des sciences de l’ingénierie aérospatiale de l’université du Colorado à Boulder.
Hussein occupe également un poste de professeur par courtoisie au département de physique, et il est affilié au programme de science et génie des matériaux.
Sa recherche porte sur les phonons — de minuscules vibrations internes au matériau lui-même, plutôt que les vibrations conventionnelles d’une structure entière. Bien que ces mouvements soient incroyablement petits, leur effet ne l’est pas.
Exploiter et contrôler ces vibrations internes est à la base du domaine émergent de la phononique, que Hussein contribue à développer depuis ses débuts il y a plus de deux décennies. En 2011, il a cofondé la série de conférences Phononics 20xx, devenue un forum international de référence dans le domaine.
En 2015, il a introduit le concept de sous-surfaces phononiques (PSubs), des matériaux qui peuvent manipuler passivement les vibrations sur des surfaces en interaction avec un écoulement fluide. Depuis, les PSubs ont été conçus — par son groupe et par d’autres chercheurs dans le monde — pour fonctionner à une seule fréquence.
Aujourd’hui, Hussein a montré qu’en enroulant les PSubs, il est possible de manipuler les vibrations sur une gamme de fréquences, donnant naissance à un nouveau phénomène appelé super-résonance, ce qui élargit considérablement le potentiel de la technologie.
« Nous avons commencé avec une fréquence unique et espérions couvrir un jour une large gamme de fréquences, car c’est ainsi que la turbulence est générée dans le monde réel. Nous y sommes désormais. Une structure phononique enroulée surmonte une limitation de longue date dans les stratégies de contrôle de l’écoulement laminaire », a déclaré Hussein.
L’interférence sans diffusion va plus loin. Au lieu d’un seul PSub en un emplacement, des groupes de PSub peuvent être disposés en grille ou en réseau pour retarder la turbulence sur une grande surface, comme l’aile d’un avion ou le corps d’un véhicule hypersonique.
« Cela permet un contrôle efficace en aval », a déclaré Hussein. « Ces deux problèmes, le contrôle en aval et le contrôle à large bande, ont été les principales limites de la technologie depuis son introduction il y a plus d’une décennie. Nous avons résolu les deux. »
Adam Harris est doctorant en science et génie des matériaux dans le laboratoire de Hussein et coauteur des deux articles. Il a déclaré que ces avancées portent la recherche à un niveau supérieur.
« Ces deux nouvelles étapes apportent des solutions complémentaires au casse-tête de l’efficacité des PSubs dans des conditions de vol réelles », explique Harris. « L’interférence sans diffusion nous permet d’atténuer le comportement spatial du champ d’instabilité en aval du PSub, tandis que la super-résonance nous permet d’élargir la gamme de fréquences sur laquelle le contrôle peut agir. Ensemble, elles rapprochent le concept original de PSub du niveau de polyvalence nécessaire aux environnements d’écoulement réels. »
Bien que la recherche actuelle soit encore computationnelle, les PSubs sont plus que théoriques. Plusieurs groupes dans le monde ont déjà construit des prototypes physiques fonctionnels et s’efforcent de démontrer leur efficacité en soufflerie.
« Notre objectif est d’aller au-delà du paradigme traditionnel selon lequel le contrôle de l’écoulement doit résulter uniquement de la modification de la forme de la surface exposée ou, plus récemment, de l’utilisation d’actionneurs actifs », a déclaré Hussein. « Avec les sous-surfaces phononiques, une aile ou un fuselage peut conserver sa forme et son aspect lisse tout en restant passif, tandis que le matériau situé en dessous est conçu pour permettre une interaction ciblée avec l’écoulement. »
Bien que cette recherche soit axée sur les structures aérospatiales, la super-résonance et l’interférence sans diffusion pourraient avoir des applications encore plus vastes.
« Outre les aéronefs, cela pourrait être important pour les navires, les pipelines, les turbomachines, partout où la turbulence est un problème. En fait, les deux idées pourraient avoir des applications bien au-delà du contrôle de l’écoulement », conclut Hussein.
Les recherches en cours portent également sur les écoulements hypersoniques et sont soutenues par une initiative de recherche universitaire multidisciplinaire (MURI) de 7,5 millions de dollars sur cinq ans du Bureau de la recherche navale (ONR) du département de la Défense.
Les autres coauteurs de ces travaux incluent Armin Kianfar (MAeroEngr’20), désormais à l’Aerospace Corporation ; David Roca et Daniel Yago, tous deux de l’Université polytechnique de Catalogne en Espagne ; et Christoph Brehm de l’Université du Maryland, College Park.
Journal : Physical Review X – DOI : Lien vers l’étude
Source Boulder CU
