La turbulence Gnralits Dfinitions coulement turbulent couche limite
La turbulence Généralités Définitions écoulement turbulent couche limite Classification turbulence potentielle turbulence effective Origines de la turbulence de frottement turbulence d'écoulement au voisinage du relief l'exemple de NICE ondes orographiques turbulence en air clair TAC et jets au voisinage des fronts inversion de températures turbulence convective turbulence de sillage Effets, prévention, détection, prévision effets prévention détection prévision QUITTER
Généralités • Phénomène fréquemment observé : tendance naturelle de l'atmosphère à s'animer de mouvements parfois violents • Accidents majeurs avec destruction de l'avion : exceptionnels (résistance avions, procédures…) • Incidents, accidents corporels : nombreux • Aspect confort en transport public (passagers, équipages): ne doit pas être négligé • Prévention du phénomène : à partir d'une bonne information • Prévision fine du phénomène : souvent "délicate" Première diapositive
Définitions (1/3) • Mouvements de l'air aléatoires et constamment changeants se superposant au mouvement moyen • La notion de turbulence est étroitement liée à la notion d'échelle – à l'échelle de la circulation générale, une perturbation synoptique est turbulente – à l'échelle moyenne la convection est turbulente – à l'échelle du laboratoire le mouvement Brownien (agitation thermique) est turbulent Première diapositive
Définitions (2/3) • Écoulement laminaire et turbulent – à l'échelle considérée Écoulement laminaire relative constance dans le temps et dans l'espace du vecteur vitesse de la particule Écoulement turbulent variation aléatoire dans le temps et dans l'espace du vecteur vitesse de la particule Première diapositive
profil de vent atmosphère libre hauteur • Couche limite atmosphérique de la surface à une hauteur de 3000/5000 ft caractérisée par un écoulement turbulent. Au- dessus c'est l'atmosphère libre couche limite de surface : ou couche de frottement, de la surface à 30/150 ft de hauteur ou les forces de viscosité et de frottement sont prépondérantes vent géostrophique couche limite de transition gradient >5 kt/1000' 30/150' couche limite de surface V 500 V 1000 V 2000 V 100 couche limite de transition : située V 3000 immédiatement au-dessus, la force V 4000 de Coriolis ne peut plus être entre 100 et 4000 ft le vent se négligée renforce avec la hauteur et tourne dans le sens des aiguilles d'une montre (HN) Première diapositive 3000/5000' vitesse du vent V 50 couche limite atmosphérique Définitions (3/3) V 100 V 25 entre 0 et 100 ft le vent se renforce avec la hauteur sans rotation
Classification de la turbulence (1/3) • Turbulence potentielle - "liée" aux données atmosphériques : densités, vitesses verticales et horizontales, instabilité. . . - peut être caractérisée par le "taux de dissipation turbulente du tourbillon" (proportion d'énergie cinétique contenue dans le tourbillon et transférée par unité de temps) - échelle objective de potentiel turbulent Symbolisme normalisé Première diapositive - approche descriptive
Classification de la turbulence (2/3) • Turbulence effective Turbulence Potentielle (atmosphérique) Qualification, quantification, localisation par le météorologiste paramètres avion Turbulence Effective Paramètres pertinents: vitesse, charge alaire, flexibilité voilure, … Accélérations verticales, réactions longitudinales. . . Paramètres pertinents: instabilité verticale atmosphérique, profils verticaux de vent, taux de dissipation turbulente. . . : masse volumique w : vitesse de l'air Première diapositive C : caractéristiques aéronef (coef. de portance, coef. d'atténuation de la rafale. . ) V : vitesse m/s : charge alaire accélération verticale mesurée au centre de gravité
Classification de la turbulence (3/3) • Turbulence effective – échelle de turbulence à 5 niveaux basée sur la réponse ( ) de (x. g 0) l'avion à une sollicitation turbulente (échelle OACI) 3, 5 2, 5 extrême 1, 5 forte 1, 2 1, 05 g 0 0, 95 modérée faible très faible 0, 8 0, 5 faible modérée -0, 5 forte extrême légères oscillations plus nettes passagers incommodés fortes secousses intermittentes "attachez vos ceintures" pilotage difficile menace sur la structure de l'aéronef, vol inacceptable pour les passagers valeurs extrêmes garantissant l'intégrité structurale pour un aéronef de transport civil Première diapositive -1, 5
Origines de la turbulence Première diapositive 9
Turbulence de frottement • Interaction entre la surface terrestre et le vent dans la couche limite de surface (SFC 30/150 ft) • Facteurs pertinents – vitesse du vent fort écart type – rugosité, obstacles (présence, dimensions. . vent faible écart type Z Z profil radiatif profil convectif – stabilité verticale t Première diapositive t
Turbulence d'écoulement • Résulte du frottement de la viscosité à l'intérieur d'une même tranche, ou entre deux tranches atmosphériques de caractéristiques différentes en termes d'écoulement (vitesse ou direction) • Intéresse toute l'atmosphère (au-dessus de la couche de frottement) • Facteur pertinent – le gradient de vent (horizontal ou vertical) • Localisation – – – le relief les jets le sillage nuageux les fronts les inversions de basses couches Première diapositive
Turbulence d'écoulement • Au voisinage immédiat du relief frottement et écoulement se conjuguent pour créer de la turbulence audessus des régions accidentées sur des volumes importants autour des reliefs Vent synoptique cana lisati on Première diapositive
Turbulence d'écoulement • Au voisinage immédiat du relief : l'exemple de NICE 04 Première diapositive 22 R NICE VA Zone agitée ft Vent à 100 échelle f de petite suit le relie du Var de la vallée >500 ft l he ft éc 0 e s 0 0 d e 2 ran tim à g ari t e n d m e V lief es re Alp e ti l des su le
Turbulence d'écoulement • Ondes orographiques déferlement tropopause Vent >15 kt air stable h rabattants longueur d’onde typique de 2 à 6 NM Symbole des ondes orographiques marquées Première diapositive 1, 2 h Ressauts stationnaires zones de turbulence
Turbulence d'écoulement : Turbulence en Air Clair (TAC ou CAT) – terme utilisé en aéronautique pour qualifier la turbulence, en moyenne et haute troposphère ainsi qu'en basse stratosphère, se produisant en dehors des nuages convectifs ni prés de ceux-ci – liée à de fortes variations de direction ou de vitesse du vent – déferlement des ondes vers la tropopause déferlement tropopause – au voisinage des thalwegs d'altitude accusées ou de certaines dorsales marquées – au voisinage d'un jet Première diapositive L L
Turbulence d'écoulement : TAC et d'un jet (1/3) axe du jet horizontal al c i t r ve t n e i izo r o l a t n h Longueur : 1000 à 5000 km largeur : 100 à 500 km épaisseur : 150 à 5000 m d a gr ex 1000 m gradient vertical Zone de TAC Dimensions caractéristiques ordre de grandeur 00 km lx 1 Lx 1000 km La turbulence n’est pas continue, l'absence de turbulence pour un avion n’exclut pas sa présence au même endroit quelques minutes plus tard. Ordre de grandeurs des zones turbulentes à l’intérieur d’une zone de TAC lx 10 km, Lx 100 km, ex 100 m soit un facteur 10 -1 par rapport à la dimension de la zone de TAC Première diapositive
Turbulence d'écoulement : TAC et jet (2/3) • Localisation FL 450 CAT : zone d e forts grad ients FL 300 140 kt 160 kt 120 kt T u JE d e x A 100 kt 80 kt FL 150 Coté isotaches polai re localisation sur une carte TEMSI Première diapositive Hém isphè re No rd
Turbulence d'écoulement : TAC et jet (3/3) • Gradients et intensité Typiquement intensité modérée pour des gradients : horizontaux du coté cyclonique (1) 30 kt/100 NM verticaux au-dessus du cœur (2) 5 kt/100 ft En terme géostrophique vent et température sont liés, un gradient vertical de 5 kt/1000 ft correspond à une variation horizontale de la température (latitudes moyennes) de 5°/100 NM. A un FL donné une variation rapide de la température implique un risque turbulent. • Intensité de la TAC jet sinueux, entre deux jets proches, au dessus du relief, des continents Première diapositive • signature de la TAC bandes cirriformes transversales au flux, nuages en formes de virgules
Turbulence d'écoulement : au voisinage des fronts variation de direction variation de vitesse jet 120 kt altitude 50 D Jet isotaches 40 30 X 60 L 70 10 0 90 80 tropopause 50 Y X jet de basses couches Y surface vue satellite et jet de basses couches Première diapositive
Turbulence d'écoulement : inversion de température Le refroidissement crée une bulle d'air calme en surface. La force de frottement étant réduite l'air glisse sur cette bulle et, vers le sommet de l'inversion, la vitesse du vent peut être plus d'une fois et demi supérieure à la vitesse du vent géostrophique créant ainsi de la turbulence. Conditions de formation : - la nuit, conditions anticycloniques sur des surfaces continentales - refroidissement nocturne dans les vallées - régions polaires Première diapositive
Turbulence convective (1/2) • Apparition, extension et matérialisation de la convection – plus l’activité convective est importante, plus forte est la turbulence – dimension des tourbillons convectifs de quelques dizaines de mètres à plusieurs kilomètres dans les puissantes circulations verticales observées dans les CB – la turbulence se manifeste aussi bien dans le nuage convectif qu'audessus, autour et en-dessous Première diapositive
Turbulence convective (2/2) 2 à 6000 ft • Le CB 10/20 NM Première diapositive
Turbulence de sillage (1/3) • Turbulence aérodynamique créée par les tourbillons marginaux formés à l’extrémité des ailes d’un avion en vol Première diapositive
Turbulence de sillage (2/3) • Persistance des tourbillons situation la plus défavorable : atmosphère stable 5 kt de vent traversier persistance le long de la trajectoire en l'absence de toute autre forme de turbulence (atmosphère stable) Première diapositive
Turbulence de sillage (3/3) • la turbulence de sillage des avions est un des facteurs de réduction de capacité aéroportuaire les plus contraignants espacements OACI Première diapositive
Effets, prévention, détection, prévision (1/5) • Effets – dans certains cas extrêmes, pilotes (même en auto) ont de sérieuses difficultés à garder le contrôle de la trajectoire – passagers membres d'équipages peuvent être blessés lors d'une turbulence soudaine et intense • passagers non attachés • objets non ou mal arrimés • le personnel navigant commercial est particulièrement exposé • Prévention (conduite du vol) – dans la plupart des cas (sauf super cellule orageuse) le risque sur la structure de l'avion peut être réduit par : • une réduction appropriée de la vitesse de l'avion • une légère majoration en phases décollage et approche • des valeurs seuils déterminent des plages de vitesse d'utilisation en air agité (entre décrochage et facteur de charge) Première diapositive
Effets, prévention, détection, prévision (2/5) • Prévention (conduite du vol) – trajectoire et choix du niveau de vol B jet et TAC A B X X' X' X si possible A en en route parallèle au jet : choisir un FL sous le cœur et du coté anticyclonique B en en route perpendiculaire au jet : choisir un FL au-dessus ou en dessous du cœur Première diapositive
Effets, prévention, détection, prévision (3/5) • détection – la présence de nuages constitue un bon indice de turbulence nuages d'ondes Première diapositive
Effets, prévention, détection, prévision (4/5) • détection – la présence de nuages constitue un bon indice de turbulence (nuages, jet et TAC) Plus généralement, la présence de nuages ayant les caractéristiques allongés, étirés, nettement délimités, sont des régions atmosphériques où l’on peut suspecter la présence d’un jet et rencontrer de la turbulence d’écoulement – la variation rapide de la température annonce la présence de gradients de vitesse et d'un risque de turbulence Première diapositive
Effets, prévention, détection, prévision (5/5) • Prévision – consiste en la prévision de situations météorologiques potentiellement génératrices de turbulence (jets, perturbations, situations convectives…) – la localisation (quantification) de la turbulence dans l'espace et le temps reste un problème délicat notion d'échelle – les champs de vents et de températures fournis par les modèles de prévisions numériques permettent la localisation 4 D des jets et le calculs de gradients horizontaux et verticaux de vitesse. • à partir de quels seuils de valeurs de ces gradients peut-on quantifier la turbulence, alors que les observations avions sont disparates et que le phénomène n'est pas permanent ? Quelle relation entre turbulence potentielle et turbulence effective ? – les messages SIGMET, les cartes TEMSI traduisent le potentiel turbulent de l'atmosphère avec des lacunes liées aux techniques de détection et de prévisions actuelles Première diapositive
La turbulence Première diapositive FIN
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