Flux libre, hélice carénée, conduite forcée : les trois environnements de calcul

Une hélice ne travaille jamais « en général » : elle travaille en air libre au bout d'un avion, dans une tuyère de propulseur, ou dans une gaine fermée. Ces trois situations ne se calculent pas de la même façon, et Heliciel demande donc de déclarer laquelle est la vôtre. C'est probablement le réglage qui, mal posé, fausse le plus de projets.

• Déroulé du didacticiel :

1. Le flux libre
2. L'hélice carénée
3. La conduite forcée
4. Comparer sur la même géométrie
5. Les erreurs fréquentes

Les trois environnements se déclarent au même endroit

1 : Le flux libre

C'est le cas général : l'hélice d'avion, l'hélice de bateau, l'éolienne, l'hydrolienne en rivière. Le calcul tient compte des inductions axiale et tangentielle — le fluide est accéléré et mis en rotation avant même d'atteindre la pale — et compte les pertes tourbillonnaires de bout de pale, le fluide contournant l'extrémité de l'intrados vers l'extrados.

Le calcul en flux libre

2 : L'hélice carénée

Un carénage ajusté au bout de pale supprime le contournement : Heliciel annule alors les pertes de bout. C'est le cas du ventilateur caréné, du propulseur en tuyère, de l'éolienne à diffuseur. Le gain est réel — il vient de ce que la pale travaille jusqu'à son extrémité — mais il a un prix que le calcul de l'hélice seule ne voit pas : la traînée du carénage lui-même, et la sensibilité au jeu en bout de pale.

Hélice carénée : les pertes de bout sont annulées

3 : La conduite forcée

Le troisième environnement est le moins connu, et c'est celui des machines de circuit : ventilateur en gaine, pompe hélice, turbine hélice ou Kaplan en conduite. Ici le débit n'est pas le résultat d'une induction, il est imposé par le circuit : Heliciel considère donc l'induction axiale nulle.

Ce qui change alors, c'est la question posée :

• pour une pompe ou un ventilateur : quel delta de pression le rotor doit-il produire au débit demandé ;
• pour une turbine : quelle hauteur de charge est disponible, et que peut-on en tirer au débit disponible.

La conduite forcée : le débit est une donnée, pas un résultat

Delta de pression à produire, ou charge disponible

4 : Comparer sur la même géométrie

L'exercice le plus instructif tient en trois calculs : prenez un rotor, calculez-le en flux libre, puis caréné, puis en conduite forcée, sans rien changer d'autre. Les trois résultats diffèrent — et l'écart n'est pas un détail d'affichage : c'est la différence entre trois physiques.

5 : Les erreurs fréquentes

• calculer une turbine en conduite comme une hydrolienne en flux libre : on attribue au rotor une induction qui n'existe pas, et on se trompe sur le débit comme sur la puissance ;
• calculer un ventilateur de gaine en simple hélice carénée : les pertes de bout sont bien annulées, mais le débit reste libre alors que le circuit l'impose ;
• oublier que le carénage traîne : le rendement de l'hélice n'est pas celui de l'ensemble.

Pour aller plus loin : le carénage d'hélice, le didacticiel ventilateur en gaine, le didacticiel pompe axiale et le didacticiel turbine Kaplan.

Exemple de conduite forcée simulée de bout en bout : le cas concret ventilateur CFD, un ventilateur de 1,25 m soufflant sur un radiateur en gaine.