De la turbulence

Article paru dans ULMiste n°8, février 2012

 

Vent plus relief = turbulence mécanique

 

Arnaud Campredon

 

Beaucoup de pilotes préfèrent venir voler le matin, tôt à la fraîche, ou encore tard  le soir au coucher du soleil. Il faut comprendre, ces gens-là désirent  simplement profiter de conditions calmes et bien tranquilles. C’est vrai que dans ce genre de situation, on évite la turbulence et les désagréments qu’elle pourrait entraîner. Je pense cependant que c’est  bien dommage, car à vouloir faire la fine bouche, on passe trop souvent à coté de belles journées de vol. Voyez-vous, moi, je suis convaincu que l’homme volant doit s’habituer à voler avec la turbulence. Je pense qu’elle fait partie intégrale de notre environnement aérien. Elle peut devenir un allié précieux, comme un ennemi redoutable. A vous de choisir. De plus, si on cherche systématiquement à éviter ces conditions difficiles et agitées, on ne saura pas les gérer le jour où l’on s’y trouvera confronté par la force des choses. Alors, afin de pouvoir voler au mieux et dans les meilleures conditions et surtout pour tirer le meilleur parti des mouvements de l’atmosphère, on va essayer de comprendre tous les avantages et les inconvénients que peut engendrer la turbulence. Avant d’entrer dans le vif du sujet, je précise qu’il existe deux types de turbulences : d’abord la turbulence mécanique qui a pour cause les déflexions imposées au vent par le relief. Ensuite, la turbulence thermique. Elle est due à la distribution irrégulière des calories sur une région donnée. Ce qui engendre par la suite, des masses d’air chaudes ascendantes et des masses d’air froides descendantes. La traversée de ces mouvements verticaux inversés devient turbulente. C’est ce qu’on appelle d’une manière plus triviale : les trous d’air.

Ce mois-ci, on va aborder la turbulence mécanique (on parle aussi de turbulence dynamique).

Deux découvertes fondamentales vont en plus étayer cet article. Je vous en réserve la primeur. C’est un scoop, exclusivité ULMiste, alors accrochez-vous car ça va décoiffer : premièrement, l’air en mouvement n’a pas la possibilité de traverser la matière. Il doit nécessairement passer par-dessus (car par-dessous, ce serait difficile), ou encore faire le tour, ce qui est bien moins fatigant d’ailleurs. Mais le plus inquiétant dans notre affaire, c’est que l’air que nous respirons reste totalement transparent. Ces mouvements  sont donc absolument invisibles. C’est à nous de les imaginer et de les comprendre, de savoir « lire » le relief en quelque sorte.

 

La première question que l’on doit se poser avant de partir voler, c’est de savoir d’où vient le vent, quelle est sa vitesse, au sol ainsi qu’en altitude. On peut apprécier cette valeur en regardant la manche à air ainsi que le mouvement des nuages dans le ciel. Je vous conseille aussi de consulter les cartes de vent prévus par les services de Météo-France, l’accès est totalement gratuit avec votre numéro de licence fédérale. Vous pouvez aller sur le site de l’aviation civile, http://olivia.aviation-civile.gouv.fr, rubrique météo, rentrez votre numéro de licence, cliquez sur WINTEM France et vous aurez les cartes de vent et température prévus pour la journée, au niveau du sol, vers 1500 m (FL050) et vers 3000 m (FL100).

 

Une fois muni de ces précieuses informations, on va essayer de comprendre ce qui se passe en présence d’un relief important. Petite précision sémantique au passage, si un jour vous avez à faire avec un puriste de la langue de Molière, on vous expliquera toujours qu’au singulier, le relief représente systématiquement une différence de hauteur entre deux points, montagne et vallée par exemple. Le sommet de la montagne et le fond de notre vallée font donc partie intégrale de notre relief. Au pluriel, les reliefs désignent les restes d’un repas. Donc, quand Evelyne Délia nous annonce à la télé qu’il va neiger sur les reliefs, c’est souvent doublement faux. D’un point de vue sémantique d’abord, car je n’ai jamais vu de neige dans mon assiette. Concrètement ensuite. Bien trop souvent, il neige abondement sur les sommets des montagnes alors que les flocons atteignent rarement le fond des vallées. Cette petite précision linguistique mise à part et pour en revenir à notre relief, reprends-je. Car après une longue tirade, il vaut mieux répéter : on distingue toujours le coté au vent ; l’expression s’utilise pour désigner un objet dans l’espace en indiquant qu’il se trouve du bord d’où vient le vent ; à la différence du coté sous le vent, lieux, places et endroits abrités des vents dominants. Cette maxime « coté sous le vent » est issue du terme générique « la côte sous le vent ». Les colons français l’utilisaient dans les Antilles et à la Réunion, pour qualifier les côtes occidentales de ses îles, qui étaient généralement protégées par les massifs montagneux, des vents dominants venant de nord-est : les alizés. 

Fig 1 : exemple de la côte au vent et de la côte sous le vent pour l’île de la Réunion

Regardons maintenant ce qui se passe quand une masse d’air aborde vigoureusement un relief important. Je vous rappelle aussi que l’air en mouvement n’a pas la possibilité de passer à travers la matière et qu’en plus, il est paresseux, (un peu comme moi d’ailleurs). C’est, pour lui, moins fatigant de faire le tour que de passer par-dessus. En présence d’une montagne isolée, d’un volcan ou d’un puy par exemple, la majeure partie du flux fera le tour par les cotés. Le petit reste passera par-dessus.

Fig 2 : mouvement de l’air autour d’un relief isolé.

 

 

Autre cas maintenant, imaginons que la masse d’air en mouvement se trouve confrontée à une chaîne montagneuse qui la bloque sur toute sa largeur. Dans ce cas, le flux n’aura pas d’autres issue que de passer par-dessus. Au vent du relief, comme le vent suit la pente montante, on observe logiquement un soulèvement. Mais ce n’est pas tout. Car le resserrement des filets d’air entraîne une compression du gaz, ainsi qu’une accélération du vent. C’est ce qu’on appelle, l’effet venturi. Sous le vent du relief, on observe le phénomène inverse. Comme le flux suit la pente descendante, on observe logiquement un affaissement. Le desserrement des filets d’air entraîne une dilatation du gaz, ainsi qu’un ralentissement du vent.

 

Tant que le flux d’air peut coller au relief, l’écoulement reste laminaire : les particules du fluide vont dans le même sens à une vitesse sensiblement identique. Les filets d’air sont parallèles et glissent les uns sur les autres. On peut  tracer des lignes de courant.

Fig 3 : vent faible (inférieur à 20 km/h) relief abrupt, le flux qui peut coller à la paroi, reste laminaire sur toute l’épaisseur.

Fig 4 : vent modéré à plus (à partir de 30 km/h) relief peu accidenté. Le flux qui peut encore coller à la paroi, reste laminaire sur toute l’épaisseur (sauf au contact immédiat du sol et on étudie ce cas juste un peu plus  loin).

 

Maintenant, en présence d’un relief plus abrupt ou si le vent forcit, le flux d’air ne peut plus coller au relief et l’écoulement devient turbulent : les particules d’air se comportent d’une manière chaotique, avec des vitesses de grandeur et de sens différents. Les filets d’air sont brisés et discontinus. On ne peut plus tracer de lignes de courant et c’est là que les choses se compliquent. Elles peuvent même devenir particulièrement dangereuses.

Fig 5 : vent modéré à plus (à partir de 30 km/h) relief accidenté. Le flux qui ne peut plus coller à la paroi, devient turbulent, en particulier sous le vent du relief où se forme un rotor.

 

Ce phénomène turbulent peut s’observer à une échelle plus fine, derrière des hangars notamment. Juste en aval des obstacles, le diamètre des tourbillons sera proche de la taille des bâtiments. Puis, il ira en décroissant en s’éloignant sous le vent.

Fig 6 : avec du vent modéré, attention à la turbulence sous le vent des hangars.

 

Malheureusement ces phénomènes turbulents s’observent aussi à une échelle beaucoup plus grande, derrière les chaînes montagneuses. Comme la taille des obstacles est plus importante, les mouvements descendants générés seront de plus grande ampleur. Exemple, en cas de vent de sud fort sur les Pyrénées, de vastes « rabattants » se forment sous le vent du relief. Sur l’altiport de Peyresourde Balestas (LFIP), l’atterrissage est fortement déconseillé par vent de sud. Pareil pour l’aérodrome d’Itaxou, dans le Pays Basque, où l’attention des pilotes est spécialement attirée sur les conditions aérologiques particulières en cas de vent de sud établi. Par flux de nord, il faut se rendre sous le vent du Massif Central, pour retrouver ces conditions chahutées. Exemple, encore l’aérodrome de la Grand Combe. Par vent de nord, à nord-est avec des vitesses supérieures à 40 km/h (20 nœuds), il faut craindre des « rabattants » aux deux extrémités de piste.

Fig 7 : Attention aux mouvements descendants et « rabattants », sous le vent d’une chaîne Montagneuse.

Le point le plus important que vous devez retenir de cet article, c’est de ne jamais aller vous mettre sous le vent d’un relief quelconque. On est sûr de rencontrer des mouvements descendants. Mouvements d’autant plus dangereux que le vent sera fort. Sachez que la turbulence dynamique est toujours proportionnelle à la vitesse du vent. Ceci est encore plus vrai lorsqu’on vole en montagne. Car dès qu’on grimpe en altitude, les performances de l’ULM sont modifiées : la densité de l'air diminue, avec deux conséquences majeures :

Une augmentation de la vitesse propre. Par exemple, à 2000 m, il faut multiplier la vitesse indiquée sur le badin par 1.09. En clair, (parce qu’avant, ça ne l’était pas) la vitesse horizontale (vitesse propre) est plus importante que celle affichée (vitesse indiquée).

 

La puissance des moteurs à pistons atmosphériques baisse de 10% par tranche de 1000 m. Ainsi, à 2000 m, un moteur de 100 cv n'en délivre que 90. C’est donc autant de puissance en moins pour lutter contre d’éventuels mouvements rabattants. Enfin, plus la température extérieure est élevée, plus les performances baissent. Pour résumer tout cela, l'ensemble provoque une augmentation du rayon de virage, des distances de décollage et d'atterrissage, une diminution des vitesses ascensionnelles. Bref, c’est toutes les performances qui diminuent.

 

Maintenant, attention de ne pas vous fourvoyer dans une impasse en remontant une vallée qui se resserre par exemple. Avec tous les sommets qui vous entourent, vous risquez de vous retrouver dans une situation « sous le vent », avec de vastes courants rabattants. Plein gaz, assiette à cabrer, l'ULM se refuse obstinément à la manœuvre, une main invisible semble vouloir le plaquer vers le sol, le badin  dégringole. C’est ce qu’on appelle : « la main du diable ». Vous n'aurez dans cette situation que quelques secondes pour prendre la bonne décision : tourner, le moins brutalement possible, vers l'aval, (si le rayon de virage vous le permet), ensuite, reprendre du badin et doucement reprendre de l'altitude.

Fig 8 : Attention à la main du diable, courants rabattants au fond d’une vallée qui se resserre. Surtout, il faut garder de la place pour faire demi-tour.

 

Un conseil, ne jamais vous engager en montée aval, dans une vallée sans l'avoir explorée en altitude et avoir pu juger qu'un demi-tour était possible à n'importe quel endroit du parcours.

Si vous devez faire des évolutions à  basse altitude, dans le fond de la vallée par exemple, faites-le dans le sens de la descente, au moins, vous êtes sur que la hauteur augmente au lieu de diminuer. De plus, comme la vallée s’écarte, vous aurez plus de place pour manœuvrer.

 

En présence d’une crête maintenant. Pour votre sécurité et le confort de vos passagers, vous devez éviter la zone d’accélération par effet venturi, sur le dessus de la montagne. Pour cela, il suffit de prendre une hauteur de survol minimum correspondant à 4/3 de l'obstacle générateur.

 

La hauteur, c’est la sécurité. Alors pour monter rapidement à l’altitude souhaitée, il faut aller chercher les courants ascendants au vent du relief. Bon varios garantis.

Fig 9 : Hauteur minimum de survol d’un obstacle : un tiers de sa hauteur.

 

Si l’on doit passer sur une crête, on doit l’aborder en ayant anticipé sur les effets dynamiques que l’on va y rencontrer. L’approche ne se fera jamais perpendiculairement, mais sous un angle permettant de virer vers un dégagement en cas de difficulté.  Donc, toujours se garder un dégagement minimum de 45° par rapport au relief. Au moindre problème (turbulence extrêmement forte, présence de rabattant, etc.), piquer du nez pour garantir la vitesse et dégager le plus vite possible du relief ou du rabattant.

De plus, le passage du relief s'accompagne d'une accélération du vent (effet Venturi) qui doit être prise en compte en cas de franchissement.

Fig 10 : Le passage de la crête avec un angle de 45 degrés, permet de se dégager en cas de forts rabattants.

Fig11 : Ne jamais aborder une crête de face, en cas de forts rabattants, pas de dégagement possible.

 

Enfin, pour le passage d’un col et en espérant ne pas vous avoir dégoûté du vol en montagne, on cumule les difficultés du vol en vallée et du passage d'une crête. Le relief qui se resserre engendre deux difficultés supplémentaires : moins de place pour manœuvrer et un accroissement de l’effet venturi, donc du vent et des turbulences rencontrés au passage. Pour le faire, il faut bien connaître sa position sous le vent ou au vent ; assurer sa sécurité en vitesse et en altitude et longer la pente favorable le plus longtemps possible.

Fig 12 : en présence d’un col, le relief qui se resserre accroît l’effet venturi.