traînée de frottement de la peau

Un écoulement laminaire autour d'un corps se produit lorsque des couches de fluide se déplacent de manière continue et parallèle les unes aux autres. Dans la nature, ce type d'écoulement est rare. Lorsqu'un fluide s'écoule sur un objet, il exerce des forces de frottement sur sa surface, ce qui freine son déplacement ; on parle alors de traînée de frottement. Cette traînée est souvent la composante principale de la traînée parasite subie par les objets dans un écoulement.

L'écoulement autour d'un corps peut initialement être laminaire. Lorsqu'un fluide s'écoule sur une surface, les contraintes de cisaillement internes ralentissent les particules de fluide supplémentaires, ce qui entraîne un épaississement de la couche limite. À un certain point de l'écoulement, celui-ci devient instable et turbulent. L'écoulement turbulent présente un profil fluctuant et irrégulier, mis en évidence par la formation de tourbillons . Il génère une traînée de surface plus importante que l'écoulement laminaire, ce qui est généralement indésirable, par exemple dans les tuyaux, les conduits ou sur les ailes d'avion. Cependant, dans certains cas, l'écoulement turbulent peut réduire la traînée nette. Par exemple, les alvéoles d'une balle de golf créent des turbulences qui augmentent la traînée de surface, mais réduisent également la traînée de pression. Cet effet s'explique par le fait que l'écoulement turbulent reste attaché à la surface de la balle plus longtemps que l'écoulement laminaire, retardant ainsi le décollement de la couche limite . Il en résulte un sillage plus étroit derrière la balle, ce qui réduit la traînée de pression. La traînée globale est réduite, ce qui permet à la balle de voler plus loin.

Du point de vue de l'ingénierie, le calcul du frottement de surface est utile pour estimer non seulement la traînée de frottement totale exercée sur un objet, mais aussi le taux de transfert thermique par convection à sa surface . Cette relation est bien développée dans le cadre de l'analogie de Reynolds , qui relie deux paramètres sans dimension : le coefficient de frottement de surface (Cf), qui est une contrainte de frottement sans dimension, et le nombre de Nusselt (Nu), qui indique l'importance du transfert thermique par convection. Les aubes de turbine, par exemple, nécessitent l'analyse du transfert thermique lors de leur conception, car elles sont exposées à des gaz à haute température, susceptibles de les endommager par la chaleur. Dans ce contexte, les ingénieurs calculent le frottement de surface des aubes de turbine afin de prédire le transfert thermique vers ces surfaces.

Une étude de la NASA de 1974 a révélé que, pour les avions subsoniques , la traînée de frottement de surface représente la composante la plus importante de la traînée, soit environ 45 % de la traînée totale. Pour les avions supersoniques et hypersoniques, ces chiffres sont respectivement de 35 % et 25 %.

Une étude de l'OTAN de 1992 a révélé que pour un avion de transport civil typique , la traînée de frottement de peau représentait près de 48 % de la traînée totale, suivie par la traînée induite à 37 %.

Il existe deux techniques principales pour réduire la traînée de frottement de peau : retarder la transition de la couche limite et modifier les structures de turbulence dans une couche limite turbulente.

Une méthode pour modifier les structures de turbulence dans une couche limite turbulente consiste à utiliser des micro-rainures. Ces micro-rainures sont de petites rainures pratiquées dans la surface de l'aéronef, alignées avec la direction de l'écoulement. Des essais sur un Airbus A320 ont montré que les micro-rainures entraînaient une réduction de la traînée de près de 2 %. Une autre méthode consiste à utiliser des dispositifs de rupture des tourbillons à grande échelle (LEBU). Cependant, certaines recherches sur les dispositifs LEBU ont mis en évidence une légère augmentation de la traînée.