La traînée aérodynamique est une « barrière » majeure dans le haut débit les avions, les automobiles et les trains à grande vitesse. En effet, une conception avec moins de traînée aérodynamique permet à l’avion de se déplacer à des vitesses plus élevées avec moins d’énergie.

Lorsqu’un avion ou une carrosserie de voiture se déplace à grande vitesse, une fine couche d’air appelée « couche limite » se forme à sa surface. Cette couche limite a deux états : un écoulement laminaire, dans lequel l’air circule de manière ordonnée, et un écoulement turbulent, qui implique des turbulences.

Plus l’air reste longtemps dans l’état d’écoulement laminaire avec un faible frottement, plus la résistance de l’air diminue, mais à mesure que la vitesse de l’air augmente, elle passe à un écoulement turbulent. La clé pour réduire la traînée aérodynamique est de savoir comment retarder cette transition vers les turbulences.

Depuis plus de 80 ans, le principe selon lequel « la surface d’un objet doit être lisse » est le principe de base de l’ingénierie aéronautique dans le monde entier afin de supprimer la transition vers les turbulences et de réduire la traînée aérodynamique. Cette prémisse était basée sur les résultats d’une étude réalisée en 1940 par Ichiro Tani, un aérodynamicien japonais qui a démontré quantitativement la relation entre la « rugosité de surface » (un indicateur de l’état de la surface usinée) et la transition turbulente, arguant que la rugosité de surface, inévitable avec la technologie de fabrication de l’époque, empêchait la réalisation d’un écoulement laminaire.

Cependant, en 1989, Tani a réinterprété les données expérimentales sur les tuyaux à surface rugueuse obtenues par l’ingénieur des fluides Johann Nikulase dans les années 1930, apportant une nouvelle perspective selon laquelle « la rugosité ne peut pas nécessairement seulement favoriser une transition turbulente et augmenter la résistance des fluides ». Héritant de cette idée, un groupe de recherche dirigé par Yasuaki Kohama de l’Université de Tohoku a démontré expérimentalement dans les années 1990 que les surfaces rugueuses fibreuses, qui présentent de fines irrégularités fibreuses à leur surface, ont pour effet de retarder la transition dans certaines conditions.

La même équipe de recherche de l’Université du Tohoku a récemment annoncé une découverte qui fait progresser considérablement cette tendance. Aiko Yakino, professeure agrégée à l’Institut des sciences des fluides de l’Université de Tohoku, et son groupe de recherche ont été les premiers au monde à démontrer que la traînée aérodynamique peut être réduite jusqu’à 43,6 pour cent simplement en appliquant une micro-rugosité distribuée (DMR), une rugosité de surface si fine et irrégulière qu’elle ne peut pas être distinguée à l’œil nu.

Cette technologie est fondamentalement différente du « processus du ruisseau (peau de requin) », connu comme une technologie typique de réduction de la traînée aérodynamique. Le processus de ruisseau imite les fines rainures longitudinales de la peau de requin et, en creusant des rainures d’environ 0,1 mm de large dans la direction du flux d’air, il aligne les tourbillons qui se produisent près de la surface des parois des zones de flux d’air turbulent. Le DMR, quant à lui, retarde le passage d’un écoulement laminaire à un écoulement turbulent au moyen d’irrégularités aléatoires et infimes. Les zones d’écoulement qu’elle affecte et les mécanismes qu’elle met en œuvre reposent sur des concepts complètement différents.

Mesure précise dans une soufflerie sans barres de support

Un facteur clé de cette réussite a été l’utilisation d’une méthode d’expérimentation en soufflerie différente de celle utilisée auparavant. Les expériences conventionnelles en soufflerie présentaient des limites structurelles : les tiges et les fils de support essentiels au support du modèle perturbaient le flux d’air, annulant ainsi les changements infimes de la résistance de l’air provoqués par la rugosité à micro-échelle.

Le plus grand système de balance à support magnétique de 1 mètre au monde (1m-MSBS), propriété de l’Institut des sciences des fluides de l’Université de Tohoku, a fondamentalement résolu ce problème. Cet appareil peut faire léviter un modèle profilé d’environ 1,07 m de long à l’intérieur d’une soufflerie sans contact en utilisant la force électromagnétique. Comme il n’utilise aucune tige de support ou autre moyen, il élimine complètement les interférences avec le flux d’air autour du modèle.

Yakino et son équipe ont mesuré avec précision le coefficient de traînée total sur des surfaces lisses et recouvertes de DMR sur une large gamme de nombres de Reynolds (rapport des forces d’inertie aux forces visqueuses agissant sur le fluide) (Re = 0,35 x 10⁶ à 3,6 x 10⁶).