Bilan de l’action des jets sur le niveau de pression au culot Actionnement des quatre côtés du culot

Section 4. Actionnement en boucle ouverte

Figure 2.28 – Cartographie de l’évolution des gains de pression−∆γp au culot de la maquette à V∞= 35 m/s : à gauche sous forme de surface, et à droite sous forme de projection des niveaux des gains. Pour les deux graphiques, l’échelle de couleur est à droite.

ouverte, en vue d’utiliser un contrôle pour des vitesses d’écoulement plus importantes que dans les cas précédents, des caractérisations additionnelles en boucle ouverte ont été réalisées à V∞ = 35 m/s au lieu de 25 m/s. La cartographie des gains en pression grâce à l’actionnement en boucle ouverte du sillage a ainsi pu être obtenue. On rappelle que l’actionnement utilise les quatre côtés de la maquette ActivROAD qui est toujours équipée de surfaces coandas (rayon de section rc = 9h = 9 mm) permettant la courbure de la direction des jets vers le centre du culot.

La figure2.28 présente les gains en termes de réduction de la dépression au culot obtenus par l’exploration des effets des jets pour les couples (f ; Pi) admissibles par les EVs.

On peut observer différents régimes dans la cartographie :

• ∀Piet 0 < f < 300 Hz : Diminution de la pression au culot (−∆γp <0 : augmentation de la dépression au culot) ;

• ∀Pi et f ∼ 300 Hz : Augmentation importante de la pression au culot (−∆γp >0) ; • 450 < f < 800 Hz : Actionnement à faible effet, pour lequel il y a :

– à pressions basses et moyennes (0.15 < Pi <0.40 MPa) : une faible amélioration de la pression au culot ;

– à très hautes pressions (Pi >0.40 MPa) : une forte amélioration de la pression au culot .

• 900 < f ≤ 1050 Hz : Actionnement augmentant la pression au culot avec :

– à moyennes et hautes pressions (0.20 < Pi <0.35 MPa) : une augmentation importante de la pression au culot ;

– à très hautes pressions (Pi >0.35 MPa) : une plus faible augmentation de la pression au culot ;

Ces évolutions des gains en pression par le contrôle en boucle ouverte permettent de relier les caractéristiques des vitesses maximales d’éjection et des débits des figures 2.18 et 2.19. On note que les cas à vitesses de pic et débits conséquents semblent être corrélés avec les meilleurs gains en termes de pression au culot. À l’inverse, les actionnements à fort débit, mais à vitesses de pic réduites n’améliorent pas la pression au culot et peuvent même la dégrader.

Pour le cas aligné à 35 m/s, les meilleurs gains ne sont pas réalisés pour les fréquences d’actionnement les plus grandes. À l’exception des actionnements à très haute pression d’alimentation les meilleures augmentations de pression au culot sont obtenues pour les fréquences des domaines R1 et R3 (cf. tableau 2.1). Le cas à très haute fréquence, et surtout à f = 1050 Hz ∈ R3, est particulier, car il présente des gains importants à basse pression et des gains plus faibles à très forte pression Pi. Or, pour les cas à Pi basse et

f = 1050 Hz, les vitesses de pic sont plus faibles, mais les débits plus grands. Les travaux de Haffner et al. (2020b) au sujet des couplages haute fréquence de jets pulsés avec les surfaces du bord de fuite du culot peuvent apporter une explication sur ce phénomène.

Haffner propose de corréler les effets à haute fréquence des jets pulsés avec la vitesse induite par les tourbillons générés dans la direction perpendiculaire à l’écoulement externe. Il montre que l’adéquation de la taille des surfaces coandas déviant les jets et la distance séparant deux tourbillons de jets entraînés par l’écoulement permet d’induire une vitesse verticale. Celle-ci peut entraîner l’écoulement externe vers la zone de recirculation et favoriser la courbure des lignes de champs au niveau des bords du culot, comme observé dans les effets de courbures aux figures2.25et2.24. Un effet de surpression locale apparaît alors sur le culot qui permet d’expliquer les gains obtenus à 1050 Hz malgré l’usage de jets moins énergétiques que ceux de la résonance principale R1.

Concernant la performance du contrôle sur la pression au culot, dans le cas du dispositif expérimental actuel, l’excitation à la résonance R1 reste un levier intéressant. En effet, les jets produits par la résonance augmentent la pression au culot pour la totalité des Pi employées. De plus, pour augmenter la rentabilité du contrôle, une utilisation des jets avec une pression d’alimentation réduite peut être privilégiée. Cela permettrait de réduire la part énergétique devant être fournie pour comprimer l’air dans le réservoir de la maquette.

Afin de pouvoir quantifier facilement la rentabilité d’un contrôle par rapport à un autre, on propose d’introduire un rendement énergétique adapté à notre application. Ce rendement est un rapport de puissances entre :

Section 4. Actionnement en boucle ouverte

Figure 2.29 – Conversion des gains en pression par le contrôle en boucle ouverte à

V_∞= 35 m/s en rendement énergétique par la métrique η.

• la puissance pneumatique employée par l’actionnement.

Ce rendement énergétique du contrôle9 est noté η, exprimé en pourcentage et défini par :

η = 1 2HW ρV2 ∞×  1 − Cp Cp0  V∞ QV × Pi = −^∆γp× 1 2HW ρV2 ∞× V∞ QV × Pi (2.49) avec ¹

2^{HW ρV}∞² = pdyn la force de pression de l’écoulement sur l’avant de la maquette et QV le débit d’air volumique mesuré en moyenne pour l’actionnement. Le numérateur quantifie alors le gain de la puissance des forces de pression par rapport au cas sans contrôle : ^Cp

Cp0

= γp = 1 ⇒ η = 0).

Les données de gains en pression sont utilisées avec les mesures de pression dyna-mique, de vitesse d’écoulement et de débit d’air moyen afin d’obtenir la cartographie des rendements des actionnements en boucle ouverte selon le critère η à V∞ = 35 m/s. La figure 2.29présente cette cartographie avec à gauche l’évolution de η en 3D et à droite une projection des niveaux dans l’espace de fréquences et de pressions testées.

Les zones présentant les rendements les plus importants se trouvent dans la R1 et la R3 pour les pressions d’alimentation les plus basses. Pour les fréquences de la R1, on obtient le meilleur rendement enregistré en boucle ouverte avec les quatre côtés employés :

η= 48 %.

9. L’énergie est, en pratique, le produit de la puissance par le temps. Un rendement énergétique consisterait à diviser l’énergie des forces de pression économisée par rapport à l’énergie pneumatique employée. Un tel rapport peut alors se simplifier en supprimant la période de temps considérée au numérateur et au dénominateur du rendement.

Les résultats de rendement à très haute pression sont en revanche beaucoup moins intéressants car seulement compris entre 5 et 10 %.

Toutefois, cette cartographie de rendement pourrait changer pour une vitesse d’écou-lement différente ou bien avec un système d’actionnement différent. Il est possible qu’un actionnement basé sur une meilleure compréhension de l’action des jets sur le sillage puisse permettre d’améliorer ces rendements, et potentiellement, avec une technologie d’actionneurs optimisée, d’obtenir un gain net d’énergie.

Autres actionnements

Jusqu’à présent, la performance du contrôle en boucle ouverte n’a été présentée que pour un actionnement simultané des quatre côtés du culot. Bien que l’actionnement par les quatre côtés de la maquette ait un impact avéré sur la pression au culot, on cherche à savoir si dans certaines situations, comme lorsqu’un vent transverse apparaît, par exemple, d’autres types d’actionnement pourraient se révéler plus efficaces, et plus rentables.

La figure2.30 présente les niveaux de gain en pression (à gauche) et de rendement énergétiques (à droite) en fonction des niveaux de Cµ utilisés pour le contrôle en boucle ouverte. La maquette ActivROAD est exclusivement utilisée en configuration voiture pour des vitesses d’écoulement à V∞= 25 et 35 m/s (ReH = 5 × 105 et 7 × 105, respectivement, avec des surfaces coandas de rayon rc = 9 mm). Quatre fréquences d’excitation (couleurs dans la figure) sont employées pour différentes pressions d’alimentation.

Cette base de données expérimentales contient des mesures relatives au cas aligné (β = 0°), mais aussi au cas en dérapage. Le dérapage consiste à augmenter l’angle d’incidence de l’écoulement de la soufflerie par rapport à l’axe x lié à la maquette. Les données obtenues pour les cas en dérapage sont représentées par des marqueurs vides (, par exemple) tandis que les données obtenues en configuration alignée sont affectées à des marqueurs pleins (, par exemple).

En pratique, trois angles de dérapage sont utilisés : β = −0.7°, β = 0.92° et β = 1.7°. Les points pour l’angle à 1.7° sont repérés par des flèches sur les graphiques.

Les graphiques de la figure2.30 permettent d’organiser les actionnements en boucle ouverte selon :

• les actionnements employant un seul côté (marqués par des triangles) :

Ces actionnements correspondent à de faibles valeurs de Cµ, car seulement un côté est activé pour le contrôle. Ils causent une dégradation de la pression au culot ou bien un faible gain (< 5%) pour des pressions d’alimentation faibles. Lorsque l’action des jets endommage la pression au culot et que le débit d’air est très faible, le rendement

η devient très faible (jusqu’à -400 %).

Les cas à 350 Hz sont les seuls ici à nécessiter un débit relativement faible pour la valeur de Cµ employée. Or, avec des contrôles qui dégradent la pression au culot, on

Section 4. Actionnement en boucle ouverte

Figure 2.30 – Gains en pression au culot et rendement énergétique pour différents types de contrôle et différentes valeurs de C_µ : marqueurs à fond blanc : cas en dérapage ; marqueurs pleins : cas alignés. Les cas obtenus pour un angle de dérapage

β = 1.7° sont repérés par des flèches.

obtient les points en ordonnée négative du graphique de η (b). On note que pour cette fréquence, les cas d’actionnement haut (N) sont bien plus intéressants que les cas d’actionnement bas (H). En revanche, pour les cas à forte pression Pi et à Cµ plus grand, les contrôles haut et bas se confondent et augmentent la dépression au culot.

• les actionnements employant les deux côtés latéraux seuls (●) :

Ils permettent des gains de pression modérés (< 10%) pour des valeurs de Cµ basses. Ces actionnements peuvent cependant présenter de bons rendements pour des fréquences d’excitation permettant d’obtenir des jets puissants avec une basse pression d’alimentation, comme c’est le cas de l’actionnement à 350 Hz. En revanche une augmentation de la pression d’alimentation et de la fréquence d’actionnement ne semble pas permettre de gain remarquable.

Cet actionnement a un effet modéré, voire défavorable, sur la pression. Les points correspondants sont bien localisés autour de la ligne de gain nul en pointillé noir. Il semble alors que l’actionnement des côtés supérieur et inférieur seuls ne soit pas pertinent pour l’augmentation de pression. Le seul point permettant un rendement au-dessus de 10 % est obtenu à 350 Hz avec la valeur de Cµ la plus basse testée pour cette fréquence. Il est donc probable qu’à l’image des actionnements haut (N), l’augmentation de la force des jets et du débit d’air ne modifie pas le sillage en faveur du gain en pression au culot.

• Les cas de contrôle à trois et quatre côtés : Ces actionnements forment un large nuage de points qui s’élève avec des valeurs de −∆γp importantes lorsqu’on augmente la force des jets.

Les cas à plus faibles Cµ présentent presque tous des gains en pression, mais seuls les cas à 350 Hz se détachent sur le graphique des rendements (à droite). On voit clairement que le phénomène de la résonance R1 permet de recomprimer le sillage, à moindre coût énergétique.

Dans la partie à plus fort Cµ, cependant, même les gains obtenus en termes de pression au culot à 350 Hz ne compensent pas le coût énergétique du contrôle. L’actionnement à 975 Hz (dans la R3) a des résultats très proches de celui à 350 Hz, qui montre bien l’effet de la résonance apparaissant également pour le domaine de fréquences ∈ R3.

On note que les actionnements à trois côtés sont plafonnés aux alentours de 15 % de gains en pression. Les cas de contrôle gauche, haut et droit (∗), et les cas de contrôle gauche, bas et droit (+) semblent présenter les mêmes apports en termes de recompression pour des Cµ élevés. L’ajout d’un troisième côté pour le contrôle semble donc intéressant du point de vue de la pression au culot sans qu’un effet particulièrement bénéfique du côté haut ou bas ne puisse ici être distingué sur la configuration voiture.

Enfin, dans le cas où la maquette est mise en dérapage, on observe des gains en pression et en rendement qui sont du même ordre de grandeur que pour les cas alignés. Il est donc permis de réguler la pression au culot, par les mêmes stratégies en boucle ouverte pour les cas alignés et ceux subissant un vent transverse.

Finalement, l’actionnement en boucle ouverte permet de nombreuses déductions concernant l’effet du contrôle sur le sillage. Il permet notamment d’identifier des paramètres de commande prometteurs pour l’augmentation de la pression au culot et donc la réduction de la traînée et l’économie d’énergie des véhicules.

Ces approches en boucle ouverte ont un impact sur la forme de la zone de recirculation, comme on l’a vu plus tôt à la figure 2.22, mais elles ne permettent cependant pas de

Conclusion

corriger rigoureusement les asymétries du sillage. Plus de détails sur l’effet de la boucle ouverte sur la symétrie du sillage peuvent être trouvés à l’annexe B.4.

Ces asymétries sont le sujet de la partie suivante de la thèse qui approfondit l’analyse des effets de forme du sillage sur la traînée aérodynamique.

Conclusion

La compréhension des mécanismes liés à la traînée aérodynamique est une nécessité pour le développement de méthodes efficaces et énergétiquement rentables de réduction de la traînée.

On a pu voir dans ce chapitre le fait que les zones de mélange du sillage étaient des emplacements critiques pour la modélisation de l’écoulement. En effet, il s’agit du lieu où se développent les phénomènes turbulents liés au mélange de fluides de vitesses différentes et également des lieux où la forme du sillage est modifiée par l’actionnement fluidique. De plus, la couche de mélange est une configuration générique de l’écoulement qui se retrouve des quatre côtés de la maquette ActivROAD. Grâce à un modèle simple, on pourrait alors imaginer construire un modèle tridimensionnel par symétrie sur les différents côtés de la maquette.

À partir de l’identification du domaine de mélange à modéliser, une démarche de réduction des équations de Navier-Stokes a été proposée afin d’obtenir un système d’équations de transport des quantités de la couche de mélange. Ce modèle doit être affiné par la détermination des conditions limites du domaine modélisé, dans les cas naturels et de contrôle. De plus, des composantes dynamiques des équations obtenues doivent être spécifiquement étudiées et modélisées afin de simplifier l’utilisation du modèle pour la définition de lois de commande en boucle fermée.

Nous nous sommes intéressés à la forme de l’évolution de la couche de mélange depuis le culot de la maquette lors des actionnements en boucle ouverte. Ces actionnements par jets pulsés permettent d’augmenter la pression au culot de la maquette et de réduire la traînée. En identifiant mieux les relations entre la forme du sillage et la performance de l’actionnement, il est clair que le modelage du sillage et la modification des couches de mélange de la zone de recirculation jouent un rôle crucial dans la réduction de traînée.

Le chapitre suivant continue l’analyse des relations entre forme du sillage et traînée aérodynamique du point de vue des asymétries de la zone de recirculation. Le chapitre 3 présente les bases permettant la définition d’un contrôle en boucle fermée de ces asymétries développé ensuite au chapitre 4.