Gradient et cisaillement de vent
Article paru dans ULMiste n°4, mars 2011
La viscosité
L’air est un fluide visqueux. Ce terme barbare ne doit pas vous effrayer. On peut expliquer la viscosité comme la propriété que peuvent avoir les différentes couches d’un fluide à opposer une résistance aux forces qui cherchent à les faire se déplacer les unes par rapport aux autres.
Plus simplement, la viscosité (du latin viscosus , gluant) est la caractéristique du fluide qui tend à empêcher son écoulement ; ou bien encore, c’est faculté du flux à s’accrocher aux surfaces sur lesquelles il se déplace. Les fluides de grande viscosité résistent à l'écoulement alors que les fluides de faible viscosité glissent beaucoup plus facilement. Par exemple, le miel possède une forte viscosité. Il suffit de renverser un pot de miel pour comprendre qu’il va mettre un certain temps pour ce se vider. On réalise ainsi pourquoi ce produit colle tant à la cuillère. Plus la température est froide, plus la viscosité est importante. C’est pourquoi l faut éviter de mettre le miel au frigo. Sinon, bonjour le plantage de la cuillère. Quant à la viscosité de l’air, elle est beaucoup plus faible que celle du miel. Mais quand le gaz se déplace, il se retrouve aussi freiné au niveau du sol. La couche d’air au contact colle à la surface, alors qu’au-dessus, ça va de plus en plus vite.
En se rapprochant du sol, la vitesse du vent va donc progressivement diminuer. Pour vous en convaincre, amusez-vous à observer un jour de vent fort, l'herbe en plaçant votre visage au contact du gazon : les brins d'une hauteur de 10cm bougent à peine, alors que la moumoute risque de s’envoler quand on se redresse.
C'est ce qu'on appelle le phénomène de couche limite: l'air emprisonné autour des brins d'herbe ne communique plus avec la couche supérieure et subit un cisaillement permanent avec celle-ci. En extension à ce phénomène de couche limite, plusieurs autres couches successives se superposent de la même manière, en s’empilant les unes sur les autres à mesure que l'on s'éloigne du sol.
Figure 1 : Le phénomène de gradient de vent et de couche limite s’observe à des niveaux croissants.
Figure 2 : variation du vent en force et en direction avec l’altitude.
Ce point est très important, surtout pour la prévision des trajectoires des averses ou des orages qui sont poussés par le vent d’altitude. Si, au sol, vous avez un orage ou un cumulonimbus, face au vent de surface et dans l’axe de ce vent , le nuage entraîné par le vent d’altitude, passera sur votre gauche et vous épargnera. Par contre, le nuage placé à droite du vent aura toutes les chances de venir sur vous.
Figure 3 : C’est l’averse placée à droite du vent qui risque d’atteindre un observateur au sol.
L’influence du gradient du vent sur la montée et la descente :
Certains pilotes affirment que le vent n'a aucune influence sur les performances en montée ou en descente. Ils ont bien raison dans des couches de l'atmosphère au sein desquelles la vitesse et la direction du vent ne varient pas en fonction de l’altitude. Si le vent est constant sur toute l’épaisseur de la couche traversée, l’ULM se déplace dans une tranche homogène et la pente de montée ou de descente n’ont aucune raison d’évoluer.
Figure 4 : vent uniforme sur la couche traversée, pas de variation de la pente de montée ou de descente.
En revanche, lorsque la force du vent évolue, notamment au voisinage du sol, c’est totalement différent. En descente, la diminution brutale du vent de face entraîne une baisse rapide de la vitesse air de l’ULM. Comme la portance de l’aile est proportionnelle au carré de la vitesse, on risque d’avoir une baisse rapide de l’effet de sustentation. D’un autre coté, la traînée de l’appareil diminue aussi, ce qui en théorie favorise une accélération de l’ULM sur sa trajectoire. Mais vu l’inertie de l’aéronef, par rapport à la variation de la vitesse du vent, on peut considérer cet effet d’accélération comme négligeable. En résumé, sans correction du pilote, par vent de face en descente avec du gradient, la pente de descente augmente et le vario ( Vz) diminue de plus en plus. Si le pilote vole à une vitesse proche de la vitesse de décrochage, c’est le plantage assuré. Alors, dans touts les cas, il faut « du badin ». En général, il faut rajouter en vitesse air, la moitié de la vitesse du vent pour assurer un atterrissage sans casse. De plus, un pilote vigilant surveillera en permanence la vitesse en finale, afin de pouvoir appliquer le plus rapidement possible, les corrections de puissance nécessaires.
Par contre, en monté, vent de face, ça va beaucoup mieux. L’augmentation de la force du vent entraîne une hausse de la vitesse air. La portance qui est toujours proportionnelle à la vitesse air, va s’amplifier d’autant. L’ULM va monter de plus en plus fort et la pente de montée va s’accentuer. Ca va grimper comme une fusée.
Figure 5 : avec du gradient de vent, forte variation de la pente et de la Vz.
Par vent arrière c’est l’inverse. En descente, l’ULM va rencontrer du vent progressivement moins fort. Si l’appareil garde la même vitesse sol, sa vitesse air va augmenter et la portance aussi. En l’absence de correction du pilote, cet effet risque de limiter la descente. On peut rencontrer se phénomène dans la branche de vent arrière avant l’atterrissage. Ce n’est pas trop gênant, car d’une part, cela peut se corriger facilement par une diminution appropriée de la puissance et d’autre part, l’augmentation de la portance n’est jamais nuisible à la sécurité, bien au contraire. Enfin, au niveau où se produit la branche de vent arrière, l’effet de gradient de vent n’est pas encore bien marquée.
Figure 6 : effet du gradient sur la pente en descente et en vent arrière.
Par contre un décollage vent arrière est beaucoup plus dangereux, surtout si il y a un obstacle à passer en bout de piste. Quand l’appareil va grimper, l’augmentation rapide de la vitesse du vent arrière va entraîner une baisse significative de la vitesse air sur l’aile et ceci risque de contrarier d’autant plus la portance. L’effet que je décris là est encore plus pernicieux si le pilote cherche un angle de montée important au décollage, notamment pour passer l’obstacle. Car plus la prise d’altitude est rapide et plus l’effet du gradient du vent se fait ressentir. On risque un retour prématuré au sol, surtout si l’on est proche de la vitesse de décrochage. De plus, les effets de correction par le pilote sont limités, car l’appareil qui décolle plein gaz n’a pratiquement plus de réserve de puissance. Dans de telles circonstances, c'est-à-dire s'il n’y a pas d’autres alternatives que de décoller vent arrière, mieux vaut s’abstenir.
Figure 7 : les dangers d’un décollage vent arrière, par fort gradient.
Les indices d'un fort gradient de vent :
Le pilote doit savoir détecter les indices d’un fort gradient de vent, afin de pouvoir s’en prévenir.
En approche ou en finale, lorsque la vitesse indiquée commence à décroître lentement mais sûrement, cela entraîne une baisse progressive du régime du moteur, ainsi qu’une atténuation des bruits aérodynamiques, sur la voile ou la cellule. Ont peut aussi constater une amollissement des commandes.
De plus, la baisse de portance se manifeste par une sensation d'enfoncement à assiette constante avec un creusement du plan de descente. Le point d'aboutissement sur la piste d'atterrissage remonte dans le champ visuel du pilote.
Au sol, plus le vent est fort et plus le phénomène peut être marqué, notamment par temps froid. L’air est comme le miel, plus sa température est basse et plus sa viscosité est importante.
Si la manche à air bouge à peine, alors qu’au-dessus de la piste les nuages bas défilent à toute vitesse, c’est que nous sommes encore dans une situation à fort gradient.
Le cisaillement de vent :
Quand on rajoute du relief ou de la turbulence à tout cela, on peut craindre une variation du vent en force, mais aussi en direction. C’est ce qu’on appelle un cisaillement de vent.
Exemple : une vallée en début de matinée. Pendant la nuit précédente, l’absence de couverture nuageuse favorise un refroidissement. L’air refroidit au contact du sol, s’écoule par gravité vers le bas et alimente respectivement les brises de pentes et les brises de vallées descendantes. Entre les points B et C, le gradient de vitesse de cette masse d’air froid présente un profil caractéristique (figure 8). En fonction de l’importance de la vallée, l’épaisseur de cette langue d’air froid varie entre 200 et 400 m, pour des vitesses entre 10 et 20 km/h. Sur le relief, on peut trouver un vent dominant qui souffle perpendiculairement à la vallée et qui moins froid, ne pénètre pas dans celle-ci. Comme les directions des vents dominants d’altitude et des brises de pentes descendantes sont différentes, on peut trouver en B, une zone de cisaillement avec des turbulences sévères. Alors attention au vol tranquille du petit matin, dans une atmosphère limpide et un environnement sympathique. On risque de grosses surprises.
Figure 8 : exemple de situation à cisaillement de vent, en début de matinée, avec une vallée orientée perpendiculairement aux vents d’altitude.
A une échelle plus fine, le cisaillement peut-être induit par des obstacles. L’exemple classique, c’est une base ULM relativement étroite, installée entre deux rangées d’arbres, avec là encore un vent dominant perpendiculaire à la piste. Outre la difficulté de gérer un atterrissage vent travers, il faut prendre en compte les turbulences et le cisaillement de vent engendrés par les arbres. Il faut s’imaginer la présence de rotors d’axe parallèle à la piste et près du sol. A partir d’un certain niveau, la direction du vent va s’inverser. Voila une situation idéale pour casser du bois ou des tubes.
Figure 9 : cisaillement de vent provoqué par deux rangées d’arbres en bord de piste.
Un décollage dans de telles conditions peut devenir aussi catastrophique, surtout si le pilote effectue un virage à droite après la montée initiale. Il risque de trouver un fort gradient de vent arrière. Dans de telles circonstances il vaut mieux effectuer un virage à gauche et profiter ainsi d’un gradient de vent de face, favorable pour cette fois.
Figure 10 : virage à droite après le décollage, attention au gradient de vent arrière défavorable.
Figure 11 : avec un virage à gauche après le décollage, le pilote profite d’un gradient de vent de face après le décollage. Cette situation est beaucoup plus sure que le cas précédent.
La turbulence engendrée par les orages peut provoquer des situations délicates, notamment quand le cumulonimbus (nuage d’orage) expulse des bouffées d’air froid au niveau du sol. L’intrusion brutale de cet air froid entraîne un cisaillement de vent à 180 degrés avec en plus, un gradient de vent inversé par rapports aux cas précédents. C'est-à-dire que dans ce cas là, la vitesse du vent arrière est d’autant plus grande qu’on vole bas. Elle peut se manifester par une baisse de la vitesse air sur l’aile, suivie d’un décrochage. Pour ne pas se trouver dans ce genre de situation, on évitera de voler en présence de nuages d’orages, même suffisamment loin. Attention aussi au déplacement du nuage, qui poussé par le vent d’altitude peut très bien venir sur vous, alors que le vent dans les basses couches suit une direction diamétralement opposée.
Figure 12 : exemple de situation dangereuse en gradient de vent arrière, provoquée par un orage.
On estime qu’en l’absence de relief significatif, l’influence du ralentissement de la surface sur l’air en mouvement se fait sentir sur une épaisseur moyenne de 1500 mètres. C’est ce qu’on appelle la couche limite terrestre. Au-dessus, on considère que l’air s’écoule librement, sans que son mouvement ne soit altéré par le sol.
La direction du vent varie aussi avec l’altitude. Quand on s’élève, le vent tourne à droite dans l’hémisphère nord et à gauche dans l’hémisphère sud. Son cap augmente. Cette rotation a pour origine les forces de Coriolis et les forces de frottement. Sur terre, avec un frottement sol important, l’angle entre le vent sol et le vent vers 1500 m atteint en moyenne 30 degrés (seulement 10 degrés sur le mer, avec un frottement de surface plus faible).