Conclusion du Chapitre

Ce chapitre avait pour objet la description des stratégies de contrôle de la traînée testées par simulation numérique. Dans la continuité des essais présentés dans le chapitre 3, la flexibilité de la voie numérique a permis de tester une trentaine de dispositifs de contrôle. Les paramètres qui ont pu être testés étaient la forme des fentes, l’angle de soufflage, la vitesse et la fréquence des jets et l’ajout de déflecteurs avec présence de dispositif de soufflage.

Parmi toutes les configurations effectuées, les résultats en termes de traînée sont satisfaisants puisque toutes les configurations nouvelles proposées sont accompagnées d’une baisse de la traînée du corps. De surcroit, 21 configurations sur 33 présentent une baisse supérieure à 3% et 9 d’entre elles, des baisses de la traînée autour de 8%.

Pour ce qui est du choix des solutions de contrôles, nous avons vu que le caractère discontinu de la forme des fentes apporte de bonnes performances, dans le cas de l’utilisation d’une seule fente en partie haute. La solution passive est efficace et a permis une baisse de la traînée de -5,9%, le couplage avec des jets synthétiques a accru cette baisse à -9,5%. Dans le cas de l’utilisation d’une seule fente en partie haute, il a été mis en évidence que l’angle de soufflage le plus efficace était à 30°, mais que les autres angles testés apportaient des gains quasi équivalents. En terme de vitesse de jet en sortie de fente, la plus efficace est de Vjet=75m/s, soit Vjet=2,5VREF. Enfin, les jets synthétiques apportent dans tous les cas des baisses de la traînée toujours sensiblement supérieures à celles obtenues par jets pulsés. Ce résultat est intéressant dans la mesure où les jets synthétiques sont des solutions d’actionnement dites à débit nulle, sans apport pneumatique, et donc à priori plus adéquats à l’intégration sur un véhicule à l’échelle 1.

Certaines des configurations les plus intéressantes en termes de baisse de la traînée ont été post-traitées : une avec des jets synthétiques sur une fente discontinue en partie haute, une en contrôle passif avec les déflecteurs à 12° et une dernière couplant la solution du déflecteur avec des jets pulsés soufflant en direction normale au déflecteur. Il a été mis en avant que les configurations avec déflecteurs permettaient de remonter fortement les niveaux de pression sur le culot du corps tout en modifiant les dimensions du sillage par rapport au cas de référence. Pour la configuration sans déflecteur, qui apporte une baisse de la traînée équivalente, les effets sont différents : la pression est remontée plus légèrement sur le culot, le sillage s’est allongé et la position moyenne des tourbillons de la zone de recirculation moyenne a été repoussée en aval. L’action des jets a également permis de réduire très fortement l’intensité d’énergie cinétique turbulente dans le sillage.

Un approfondissement du cas avec jet synthétique seul en partie haute, en fentes discontinues a été proposé. Nous avons vu l’effet des jets sur son sillage proche et la couche de cisaillement. L’analyse spectrale a permis de montrer que la fréquence de pulsation était transmise sur tout le culot, mais qu’elle était rapidement amortie dans le sillage. De plus, les jets ont entrainés une modification des phénomènes spectraux sur une zone équivalente à la bulle de recirculation moyennée. On constate d’autre part, une similitude entre les structures des jets périodiques et celles dans la couche de cisaillement pour les cas de contrôle les plus performants.

Enfin l’analyse POD a pu mettre en évidence le comportement du jet synthétique sur un premier mode extrêmement énergétique. Ce premier mode décrivait également les phénomènes de la couche de cisaillement identifiés dans l’analyse de champs instantanés.

Conclusions et perspectives

Cette étude avait pour objectif de décrire numériquement l’écoulement autour du corps de Ahmed à culot droit afin d’explorer des solutions de contrôle de la traînée à l’aide de dispositifs de type jet périodique et déflecteurs.

L’étude bibliographique recensait de manière non exhaustive les travaux de recherche qui ont été effectués sur des solutions de réductions de la traînée appliquées aux véhicules terrestres. Deux types de contrôle se dégagent de cette description. D’une part des solutions passives, elles sont reconnues comme efficaces pour réduire la traînée de l’ordre de 10% comme les déflecteurs, les dispositifs poreux ou les générateurs de vortex. D’autre part, les solutions de contrôle actif. Elles ont fait l’objet d’études récentes et sont généralement liées au contrôle d’écoulement par des actionneurs fluidiques. Il existe trois grands types de technologies de soufflage : le jet continu soufflant ou aspirant, le jet pulsé et le jet synthétique. Ces actionneurs sont généralement placés à proximité des points de décollement de l’écoulement de référence, pour des vitesses d’éjections maximales comprises entre 1 et 5 fois la vitesse de référence. A part le contrôle en boucle fermée, il n’existe pas aujourd’hui de règles de fonctionnement universel car l’effet du soufflage diffère selon la diversité des écoulements considérés. Une compréhension précise des mécanismes est nécessaire pour appliquer un contrôle efficace et dimensionner les actionneurs. On peut retenir des réductions de la traînée de l’ordre de 10% sur des géométries académiques, cependant aucun gain de traînée significatif n’a pu être observé sur des véhicules à l’échelle 1.

Les travaux présentés étant à dominante numérique, une partie a été consacrée à la description des méthodes de résolutions numériques employées. Le code de calcul utilisé est basé sur une méthode par éléments finis de Galerkin moindres carrés, il est utilisé pour résoudre des écoulements instationnaires en simulation grandes échelles LES avec le modèle de sous-maille de Smagorinski. Dans cette partie, les outils de post traitements sont également détaillés. Des décompositions orthogonales aux valeurs propres sont notamment effectuées sur les résultats numériques.

Les travaux présentés dans ce manuscrit se décomposent en deux parties : la première pour valider les résultats de calculs avec et sans solution de contrôle avec des mesures expérimentales aux conditions aux limites identiques. La seconde pour explorer numériquement des configurations de contrôle en boucle ouverte mixant des solutions de jets périodiques et de déflecteurs agissant sur le sillage du corps de Ahmed à culot droit.

La validation des résultats numériques a été effectuée par comparaison avec des mesures expérimentales qui avaient pour objectifs d’évaluer les réductions de la traînée sur le corps de Ahmed culot droit muni d’un dispositif de jet pulsé en partie haute du culot. Ces essais ont montré que l’écoulement était sensible aux fréquences des jets pulsés : des variations de la traînée ont été mesurées entre +40% et -4.6% pour des fréquences d’actionnement respectivement de 30Hz et 400Hz. La validation numérique s’est donc portée sur le cas de référence, un cas de dégradation de traînée à 30Hz et un cas de réduction de la traînée à 400Hz. Afin d’être le plus précis possible, le modèle numérique a reproduit les dimensions de la soufflerie ainsi que les paramètres d’essais tels que la dimension des pieds de la maquette ou même le profil de plaque sur laquelle elle était disposée.

Il s’avère que la modélisation numérique est capable de reproduire avec précision les mesures expérimentales : pour le cas de référence, l’écart en termes de valeur de traînée est inférieur à 1%, les champs de pression au culot sont similaires, aussi bien dans leurs distributions que dans leurs valeurs. Pour les deux configurations de contrôle actif, la dégradation et la baisse de la traînée sont également bien reproduites. Cette partie a ainsi permis de valider le modèle LES employé dans cette étude et d'affiner la description du sillage en trois dimensions à l’arrière de la géométrie. Cependant les réductions

de la traînée observées pour cette validation étaient inférieures à 2%, ce qui ne peut être considéré comme une variation suffisante si l’on souhaite déployer ce genre de solution sur d’autres géométries ou sur des véhicules à l’échelle 1.

La seconde partie dédiée à l’exploration numérique avait ainsi pour objectif de rechercher des baisses de la traînée supérieures. Les paramètres qui ont pu être testés étaient la forme des fentes, l’angle de soufflage, la vitesse et la fréquence des jets, l’ajout de déflecteurs avec ou sans présence de dispositif de soufflage. Parmi la trentaine de configurations testées, un tiers d’entre elles présentent des réductions de la traînée supérieures à 8%. Notons les principaux résultats qui ressortent de cette série de calculs :

Les fentes discontinues sont très efficaces pour réduire la traînée lorsqu’elles sont situées en partie haute du culot. Pour ces configurations, les vitesses de jet 2,5 fois supérieures à la vitesse de référence conduisent aux meilleurs résultats. Pour ces solutions les réductions de la traînée aérodynamique sont comprises entre -7% et -8,7% par rapport au cas de référence. Concernant l’effet de ces solutions sur l’écoulement par rapport au cas de référence, il a été montré que pour la configuration en fente discontinue en partie supérieure du culot et le signal synthétique à 400Hz avec des vitesses de jet de Vjet=120m/s, la pression moyenne est remontée sur le culot, le bulle de recirculation s’est allongée et la position moyenne des tourbillons de la zone de recirculation moyenne a été repoussée en aval, enfin l’intensité d’énergie cinétique turbulente dans le sillage a également été fortement réduite. L’analyse spectrale a permis d’observer que la fréquence de pulsation était transmise sur tout le culot, mais qu’elle était rapidement amortie dans le sillage. Les champs instantanés ont montré que l’intensité des structures tourbillonnaires en proche culot a été atténuée et a mis en évidence la relation qu’il existait entre la fréquence de pulsation de contrôle de 400Hz et la fréquence liée aux phénomènes convectifs dans la couche limite du cas de référence. D’autre part, le fait que les configurations identiques (soufflage en partie supérieure du culot), mais en fentes continues n’apportent aucune réduction de la traînée montre que les structures injectées par les jets sont importantes. Ainsi, dans le cas des fentes discontinues, les structures créées par les jets en proches parois jouent un rôle dans le taux de mélange et sont responsables de la diminution de l’intensité des structures dans cette zone.

La solution passive par déflecteur à 12° est accompagnée d’une baisse de la traînée de -6%. L’ajout de solution de contrôle actif sur le déflecteur permet d’abaisser la traînée jusque -9,5%. Dans ces configurations, par rapport au cas de référence, la pression moyenne est fortement remontée au culot, l’orientation de la couche limite supérieure a été abaissée vers le centre du sillage, et l’énergie cinétique turbulente du sillage a été augmentée. Notons que lors de l’ajout des jets périodiques sur le déflecteur, les résultats en termes de réduction de la traînée en fente continue ou discontinue sont identiques. La mécanique de la baisse de la traînée est donc différente des configurations sans déflecteurs, et est plutôt liée à la réduction de volume du sillage créée par l’abaissement des points de décollement.

Par ailleurs, concernant le type d’actionneurs modélisés, il ressort que le contrôle par jets synthétiques apparait comme étant au moins autant efficace que les solutions par jets pulsés. Plus particulièrement, pour les configurations en fentes discontinues. Tout autre paramètre étant fixé par ailleurs, les jets synthétiques apportent une baisse de la traînée supplémentaire de 1% par rapport aux jets pulsés.

Ces travaux ont permis d’identifier des solutions de contrôle efficaces sur le corps de Ahmed culot droit et d’apporter quelques éléments de réponse quant aux mécanismes responsables de la modification de l’écoulement. Certaines configurations intéressantes pourraient être transposées en l’intégration de solution de contrôle actif pour des véhicules à l’échelle 1. Notamment, les solutions de fentes discontinues ont su montrer leurs avantages, et pourraient être disposées sur le hayon d’un SUV, d’un break, d’un monospace, d’un véhicule utilitaire, ou de tout autre véhicule de type culot droit. Cela permettrait de confirmer ou non si le dimensionnement des jets à l’échelle réduite peut être appliquée à l’échelle 1 et d’évaluer la performance de ces solutions lors du changement d’échelle.

L’étude expérimentale a permis d’identifier les paramètres importants du contrôle tels que la fréquence, l’angle et le débit de soufflage aux valeurs les plus efficaces, puis l’étude numérique, en s’appuyant sur ces premiers résultats, a permis de trouver de nouvelles configurations de contrôle, telles que le soufflage à travers des fentes discontinues. Une nouvelle campagne de mesures serait donc à prévoir avec une maquette modifiée pour tester l’efficacité des nouveaux paramètres de soufflage issus de cette étude numérique. Cette optimisation par aller-retour entre essais et calcul pourrait s’accompagner d’outils de contrôle en boucle fermée expérimental et numérique afin de mieux couvrir la plage des paramètres à tester et mieux comprendre les mécanismes de contrôle.

Une compréhension accrue des mécanismes et une identification plus précise des paramètres de contrôle par cette méthode de travail permettraient de trouver le modèle ou les règles de dimensionnement des actionneurs. Cette étape est nécessaire avant de réaliser un travail identique sur un véhicule à pleine échelle alliant étude numérique et expérimentale. L'objectif est de trouver les mêmes valeurs de gains aérodynamiques qu'à échelle réduite. Une synthèse des résultats à échelle 1 combinant solutions actives et passives, permettra alors de sélectionner la configuration optimale de contrôle.

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