Caractérisation de l’écoulement pour un corps de Ahmed à culot droit

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont dédiés à des corps de Ahmed de type culot droit. Cette partie expose en détail la topologie de l’écoulement pour ce type de corps. Les écoulements de type culot droit sont caractérisés par un décollement massif en fin de pavillon sans recollement sur la lunette arrière. Ce type de comportement s’observe [Ahm84] sur des corps de Ahmed de 0 à 12° et de 30° à 90°.

1.2.3.1 Écoulement sur la partie avant

Spohn et al. [Spo02] analysent l’écoulement sur la partie avant du corps de Ahmed à partir de tomographies et de visualisations pariétales. Un décollement apparaît à 8% de la longueur L de la géométrie (Figure 1.25).

Le fluide situé sous la nappe décollée est animé d’un mouvement de rotation et du fluide remonte en direction de la ligne de séparation, ce qui entraîne un accroissement de la zone décollée dans les directions transversales et normales à la paroi. Le surplus de fluide est alors expulsé vers l’aval de façon périodique et le volume de la zone décollée oscille ainsi avec une fréquence de l’ordre de 15 Hz [Spo02]. Ces oscillations donnent naissance à des structures tourbillonnaires de Kelvin-Helmholtz émises avec une fréquence haute de l’ordre de 200Hz (Figure 1.25).

De part et d’autre du plan de symétrie longitudinal, les lignes de courant à la paroi (relevée par tomographie dans un plan horizontal situé à 3.10-3 m du pavillon) s’enroulent autour de 2 foyers (Figure 2.3.b) et s’échappent de la paroi en formant deux vortex contra rotatifs qui sont visualisés en lumière blanche sur la Figure 2.3.c. Ces structures tourbillonnaires sont advectées le long du pavillon vers la zone

de sillage. Elles sont cependant moins énergétiques que les structures longitudinales qui se développent le long des arêtes latérales de pare-brise sur une géométrie réelle de véhicule automobile.

Figure 1.25 - (a) Visualisation du décollement avant en canal hydraulique avec un plan laser situé sur le plan de symétrie longitudinal, (b) Tomographie laser relevée dans un plan horizontal situé à 3.10-3 m au-dessus du pavillon. Vue du dessus de la maquette (c) Visualisation pariétale, lignes de frottement relevées sur le pavillon. Vue du dessus de la maquette en lumière blanche, d’après Spohn et al. [Spo02]

1.2.3.2 Écoulement dans le sillage

La pression au culot est responsable à elle seule de 70 à 80% de la traînée aérodynamique pour un corps de Ahmed à culot droit. L’écoulement dans le sillage est décrit dans de nombreux travaux. La topologie de l’écoulement moyen dans la partie proche du sillage se décompose sur une structure de forme torique, comme l’illustre la Figure 1.26, les tailles caractéristiques des tourbillons dans les plans Y0 et Z0 sont d’un tiers de la hauteur du culot. Plus loin en aval dans le sillage, se trouvent deux tourbillons longitudinaux contra rotatifs dont la trace est visible dans le plan X=1,4H jusque très loin dans le sillage (X=7H). [Rou09] Krajnovic et al. [Kra03] identifient en plus de telles structures contra rotatives le long des arêtes, à la jonction pavillon-montant latéraux du corps de Ahmed (Figure 1.26)

La formation de la structure torique a été observée expérimentalement lorsque l’ordre de grandeur des forces des structures en fer à cheval supérieures et inférieures sont équivalentes [Ahm84]. Cet équilibre des forces pilote un processus de mélange supérieur et inférieur qui forme cette structure torique [Ahm84]. Han et al. [Han89] ont mis également en évidence cette structure cohérente ainsi que Duell et Georges [Due94]. Les structures instantanées contributives à la création de la structure torique sont décrites par Krajnovic et al. [Kra03] lors d’un calcul LES, ils exhibent une basse fréquence de pompage caractéristique des phénomènes de recirculation de l’écoulement inter sillage. Il identifie également une émission tourbillonnaire en dehors de la zone de recirculation (Figure 1.29), il s’agit de phénomène à fréquences plus élevées, les structures sont transportées dans l’écoulement aval.

La Figure 1.27 montre la description de la couche de cisaillement pour une étude derrière une géométrie tronquée à culot droit d’après les travaux de Roumeas et al. [Rou06]. Les structures liées au cisaillement se forment à partir des points de décollement (A et B), la zone associée est définie en forme de dièdre à partir de ces points. À l’intérieur, le cisaillement est caractérisé par une forte augmentation des valeurs de la vorticité lié à la création de ces structures. Les fréquences associées à cette zone sont dans la partie supérieure du spectre de l’étude pour un Strouhal correspondant de St=1,3.

Figure 1.27 - Description d’une zone d'écoulement cisaillé [Rou06]

Sur un corps de Ahmed à 25°, la Figure 1.28 montre les résultats des travaux de Thacker et al. [Tha10] sur une étude spectrale en aval d’un point de décollement. On constate, en rouge la zone identifiée dite de haute fréquence qui est le lieu de la couche de mélange entre le sillage et l’écoulement de référence. La vitesse de référence est de V=30m/s, correspondant à un nombre de Reynolds de Re=2,2.10⁶. Les fréquences relevées dans la couche de cisaillement sont de l’ordre de 110Hz pour des nombres de Strouhal équivalents de St~0.65 (Figure 1.28). Il s’agit de fréquences représentatives du phénomène d’instabilité de Kelvin Helmholtz, appelée ainsi fréquences de Kelvin Helmholtz.

Figure 1.28 - Fréquence dominante relevée dans le sillage d'une maquette. Identification de zones d'activité basse fréquence (en jaune) et haute fréquence (en rouge) [Tha10]

Figure 1.29 - Mise en évidence des structures instantanées contributives à la création de la structure torique Wi d’après [Kra03], les ‘shed vortices’ sont les structures issue de cette formation torique et advectées vers le sillage