Le contrôle actif

Le contrôle actif a pour objectif d’apporter une modification de l’écoulement autour de l’objet d’étude permettant une réduction de la traînée aérodynamique sans en altérer les contraintes stylistiques. L’aviation a été précurseur de ce type de méthodes en essayant de contrôler les décollements sur les profils d’aile afin d’améliorer les niveaux de pression, donc de portance dans les phases de faibles vitesses comme l’atterrissage.

Un type de contrôle actif répandu est la modification de l’écoulement de sillage par injection de quantité de mouvement locale. On différencie plusieurs types de contrôle par injection.

- Les actionneurs jets continus qui injectent un débit constant dans l’écoulement

- Les actionneurs jets synthétiques alternant les phases d’aspiration et de soufflage dont l’intégrale temporelle de débit est nulle. Beaucoup d’études sont menées sur la sensibilité de l’écoulement à la fréquence de l’actionneur et au débit soufflé et aspiré, c'est-à-dire la vitessse d’injection et d’aspiration [Lec08] [Sie05] .

- Les actionneurs jets pulsés ne faisant qu’injecter de la quantité de mouvement de manière cyclique . Il existe également de nombreuses études visant à évaluer les fréquences et les débits efficaces. [Rou06][Jos12][Pas08][Sie07][Bru10]

1.3.2.1 Contrôles actifs expérimentaux

Plusieurs études de contrôle de pression sur des géométries où le culot est représentatif de la traînée totale ont été menées ces dernières années. On pourra se référer aux études de Luchtenburg, Noack ou Pastoor, [Luc09] [Pas08] [Lec08] [Rou06][Jos12]

Pastoor et al. [Pas08] proposent une géométrie de type naca extrudé (Figure 1.55). L’écoulement est de type culot droit, l’objectif est le contrôle de la pression sur le culot. Pour cela , le corps est muni de jets pulsés sur les arêtes supérieures et inférieures du culot et des capteurs de pression sont disposés afin de mesurer l’effet du contrôle. L’étude montre un maximum de -30% de variation de pression sur le culot pour un soufflage à signal sinusoïdal de fréquence correspondant au nombre de Stroual dominant du sillage St=0.15. La Figure 1.56 illustre l’effet du contrôle sur le sillage. La fréquence de contrôle a forcé le sillage proche du culot sur un mode symétrique et a repoussé la partie dissymétrique de sillage plus en aval de l’écoulement.

Figure 1.56 - Effet des jets pulsés sur le sillage [Pas08]

Au cours de cette étude, Pastoor et al. proposent également différentes possibilités de contrôle par modification du sillage. L’idée étant d’introduire la notion de boucle fermée afin d’asservir l’écoulement à partir d’un capteur dans l’écoulement (Figure 1.57).

Figure 1.57 - Possibilité de contrôle et leur effet sur le sillage [Pas08]

Leclerc [Lec08] étudie dans son travail la possibilité de contrôle par le jet synthétique sur un corps de Ahmed avec un angle de lunette à 25°, par moyens expérimentaux et numériques. Le code de calcul utilisé est PowerFlow, basé sur la méthode Latice Boltzmann. L’influence des jets se mesure directement sur les champs de pression au culot. Les valeurs de pressions sont dégradées dans la partie proche des jets, puis une recompression s’effectue sur la partie du culot éloignée des jets. L’intensité de cette recompression varie avec la quantité de mouvement injectée. Plus le débit est élevé, plus la recompression dans la partie éloignée des jets est élevée ; il ne s’agit a priori pas d’un comportement linéaire, mais plus d’un comportement ‘à seuil’, passée une certaine valeur de débit (Figure 1.58).

La recompression observée est suffisante pour contrer l’effet de dégradation du champ de pression dans la zone proche des jets et l’intégrale surfacique de la pression sur toute la partie arrière est inférieure à celle du cas de référence lorsque les jets sont activés. Les gains de Cx sont de l’ordre de -10%. La Figure 1.59 illustre l’effet des jets synthétiques sur l’écoulement dans le plan de symétrie longitudinale avec l’écrasement du bulbe de recirculation de la lunette et l’équilibrage de la structure torique à l’arrière du culot.

Figure 1.58 - Distribution de coefficient de pression sur l'arrière du corps de Ahmed avec et sans contrôle pour différents débits [Lec08]

Joseph [Jos12] étudie sur un corps de Ahmed, avec une lunette d’angle à 25°, différents types de contrôles par des jets pulsés, avec différents orifices et positions de soufflage (Figure 1.60). Il obtient de 7 à 8% de baisse de la traînée pour des fentes discontinues disposées après la jonction culot-lunette et pour des vitesse d’éjection de l’ordre de 80m/s, soit 2 fois la vitesse de référence de la soufflerie dans son cas. Les variations de la traînée pour tous les autres point de fonctionnement sont représentés sur la Figure 1.61.

Figure 1.60 - Dispositions et caractéristiques des fentes de soufflage dans l'étude de Joseph [Jos12]

1.3.2.2 Le contrôle actif par modélisation numérique

L’étude de Roumeas et al. [Rou06], portent sur le contrôle de la traînée par un jet continu où quatre fentes ont été disposées sur le pourtour d’un culot droit (Figure 1.62). Le débit d’éjection et l’angle de soufflage furent les deux paramètres principaux de cette étude. Le maximum de réduction de la traînée est atteint pour une vitesse d’éjection de 1,5 fois la vitesse de référence (Figure 1.63) avec 28,9% de baisse de traînée. Toutefois, une vitesse d’éjection de 0,5 fois la vitesse de référence entraine également une baisse significative de la traînée de 21%. Concernant le paramètre d’angle , l’optimum de réduction de la traînée est atteint pour un angle de soufflage de =45° avec -28,9%. Les variations de traînée à 30° et 60° sont quant à elles de -18% et -21%. Le sillage est très sensible à cet angle d’éjection. La Figure 1.64 explique comment l’angle de soufflage vient modifier l’épaisseur de la couche de cisaillement en proche culot en l’augmentant, ainsi qu’en y accroissant les phénomènes d’instabilité présents. L’effet dans le sillage se traduit par une diminution des vitesses de retour dans le bulbe de recirculation (Figure 1.64). Notons que ces gains sont obtenus géométrie tronquée du corps de Ahmed culot doit

Figure 1.62 - Position et paramètres de soufflage sur la géométrie [Rou06]

Figure 1.63 - Variation de la traînée en fonction de la vitesse d'éjection (à gauche) et de l'angle de soufflage (à droite) [Rou06]

L’étude de Leclerc [Lec08] sur un corps de Ahmed à 25° avec intégration de jets synthétiques sur le pavillon et la lunette montre des variations de la traînée de -13.6% (Figure 1.65). Ces baisses de la traînée ont été confirmées en essais (-10%, voir partie précédente). Les effets du contrôle sont différents du cas du culot droit. Il s’agit en effet à 25° de supprimer la poche de décollement sur la lunette du culot et de réduire l’intensité des tourbillons longitudinaux se développant le long des arrêtes de la lunette.

Figure 1.65- Domaine de calcul et gains de traînée obtenus en numérique tridimensionnelle dans la thèse de Leclerc [Lec08]

Krajnovic et al. [Kra10] mènent une étude numérique avec un modèle de type LES sur un cas reproduisant l’expérience de Pastoor et al. [Pas08] (Figure 1.66). Ils montrent que leur modèle LES est fiable pour reproduire et investiguer la recherche de réduction de traînée par contrôle actif. Des baisses de la traînée entre -1,5% et -2,5% sont ainsi calculées. D’un point de vu spectral, la fréquence dominante de l’écoulement de référence relevée est de St=0,31, supérieure à celle relevée en essai par Pastoor et al. [Pas08] (St=0,23-0,25). Dans le cas de l’écoulement avec activation des jets à une fréquence de St=0,17, celle-ci devient dominante dans l’écoulement et la fréquence de référence St=0,31 est toujours présente mais moins puissante (Figure 1.67)

Figure 1.66 - Géométrie pour un calcul LES d'après Krajnovic et al. [Kra10] reproduisant les expériences menées par Pastoor et al. [Pas08].

Figure 1.67 - Densité Spectrale de Puissance du signal de traînée sans (a) et avec (b) contrôle. [Kra10].

Wassen et al. [Was10] effectuent une série de calcul avec un modèle de calcul de type LES pour un nombre de Reynolds basé sur la longueur de ReL=500000 (Figure 1.68). La Figure 1.69 récapitule les valeurs obtenues : le meilleur gain est de -11,1% de baisse de la traînée pour un soufflage sur 4 fentes autour du corps de Ahmed avec un angle de 45° par rapport à l’axe longitudinal. Le soufflage est continu et la vitesse d’éjection est égale à la vitesse U0 de référence. Notons que lors du cas de soufflage continu à 0°, la baisse de la traînée est de -3%. Dans cette étude, le caractère dissymétrique de l’écoulement est sensible au contrôle, en effet, comme le montre la Figure 1.70, les champs de pression moyennés calculés au culot sont fortement dissymétriques, et ceux malgré un temps de calcul extrêmement long de 20 temps de cycle basés sur la longueur du corps et la vitesse de référence : Tmoy=20L/U0. Une explication apportée dans cette publication est l’élimination par le contrôle de phénomènes de battement en basse fréquence relevés dans le sillage de l’écoulement de référence.

Figure 1.68 - Paramètres de contrôle actif sur une simulation numérique sur culot droit [Was10]

Figure 1.70 - Caractère dissymétrique de la distribution de pression pour différents angles de soufflage (a) =0°, (b) =20°, (b)

=45°, (b) =60°. [Was10]

Bruneau et al. [Bru11] effectuent une série de calcul sur un corps de Ahmed à 25° avec différents types de contrôle par soufflage :

- Le contrôle actif transversal consiste au positionnement de deux fentes : l’une aspirante sur le haut de la lunette, l’autre soufflant sur la partie culot. La comparaison avec et sans soufflage des champs de coefficient de pression moyens montre un écrasement du bulbe de recirculation présent sur la lunette du corps et se traduit par une variation de la traînée de -7% (Figure 1.71) (Figure 1.73). - Le contrôle actif longitudinal consiste à injecter de la quantité de mouvement au niveau des deux

extrémités verticales de la lunette. Les champs de coefficient de pression moyens montrent que l’intensité des tourbillons longitudinaux a été fortement réduite, et la variation de la traînée correspondante est de -11% (Figure 1.72) (Figure 1.73).

- Le couplage de ces deux types de contrôle apporte une variation de la traînée de -13%. (Figure 1.73)

Figure 1.71 - Contrôle actif transversal (à gauche). Comparaison de coefficients de pression sans (a) et avec (b) soufflage [Bru11]

Figure 1.72 - Contrôle actif longitudinal (à gauche). Comparaison de coefficients de pression sans (a) et avec (b) soufflage [Bru11]

Figure 1.73 Récapitulatifs des gains de traînée selon la disposition des fentes de soufflage [Bru11]