Contrôle par jets

Le contrôle par jets est de loin la technique active la plus étudiée, comme en atteste le nombre important de publications qui lui sont consacrées. Le principe de base consiste à influencer localement l’écoulement par soufflage et / ou d’aspiration via des orifices en paroi, dans l’objectif de supprimer un décollement ou de le modifier de manière favorable.

Dans le domaine automobile, l’avantage évident de ces solutions est qu’elles sont pratiquement invisibles pour l’utilisateur. L’intérêt est alors très grand du point de vue du design, puisque qu’il devient, en quelques sortes, libéré des contraintes aérodynamiques. Le contrôle par jets, en s’affranchissant d’appendices visibles, devrait donc dans l’idéal permettre de rendre aérodynamique des formes qui ne le sont pas.

Les contraintes techniques sont par contre très lourdes, même si certains types de soufflage tendent à les minimiser. Souffler (ou aspirer) nécessitent en générale une tuyauterie élaborée, un système de génération de pression ou de dépression, etc. Les perspectives offertes par un système de contrôle invisible et adaptable facilement à l’écoulement poussent néanmoins à surpasser ces contraintes.

On distingue généralement quatre types de contrôle par jets :

- Le soufflage continu : méthode la plus simple, elle consiste à ajouter de la quantité de mouvement de manière continue. Une couche limite peut ainsi être renforcée par soufflage tangentiel et mieux résister au décollement. Le soufflage continu peut également être injecté normalement à la paroi, afin de briser les structures tourbillonnaires génératrices de trainée ou de les repousser loin du corps pour limiter leur influence.

- L’aspiration continue : pratiquée à la paroi, elle permet d’extraire du fluide de l’écoulement. Les zones basses vitesses de la couche limite peuvent ainsi être supprimées, mais cette action peut également cibler des structures tourbillonnaires entières.

- Le soufflage pulsé : le soufflage pulsé correspond à un soufflage continu intermittent, alternant phase de soufflage et phase de repos.

- Le soufflage synthétique : le soufflage synthétique est un cas particulier de soufflage pulsé avec un débit nul : la phase de repos est remplacée par une phase d’aspiration, et ce type de soufflage ne nécessite donc pas d’alimentation en air pour fonctionner. En fonction du type de contrôle, différents paramètres vont intervenir :

- La position du contrôle, par rapport à la zone d’écoulement à contrôler.

- La géométrie des fentes ou des orifices et leur orientation par rapport à l’écoulement.

- La répartition spatiale des orifices pour le cas d’un contrôle par multi-jets.

- La quantité de mouvement injectée (ou retirée) dans l’écoulement. Cette dernière peut être définie en moyenne et / ou par une valeur associée au cycle de fonctionnement mis en œuvre (cas d’un contrôle par jets synthétiques ou pulsés).

La quantité de mouvement associée au contrôle par jets est en général définie sous une forme adimensionnelle faisant intervenir un coefficient de quantité de mouvement, noté Cμ. Ce coefficient est défini comme le rapport entre la quantité de mouvement injectée dans l’écoulement et une quantité de mouvement de référence représentative de l’écoulement à contrôler (d’après Greenblatt [79] et adapté pour un cas 3D) :

(11) Uj est une vitesse caractéristiques de soufflage et ou d’aspiration et Sj est la surface totale

du / des orifices produisant le / les jets. Sref est une aire choisie pour être représentative de

l’écoulement à contrôler. Cela peut être classiquement le maître-couple du corps sur lequel le contrôle s’effectue, ou alors une définition plus judicieuse basée sur une épaisseur caractéristique de couche limite en amont d’un décollement. Aubrun et al. [80] par exemple, utilisent le produit de l’envergure du corps multipliée par l’épaisseur de couche limite comme surface de référence.

Pour les cas de contrôle par soufflage périodique (pulsés ou synthétiques), la vitesse caractéristiques des jets Uj peut être au choix la vitesse moyenne, la vitesse efficace ou encore

une autre vitesse arbitraire représentative des jets. D’autre part, et afin de faciliter le lien avec les fréquences réduites (on parlera alors de Strouhal) caractéristiques de l’écoulement, l’aspect périodique de l’excitation peut également être caractérisé par une fréquence adimensionnelle, définie de la façon suivante :

(12)

Les quantités fj et Lj représentent respectivement la fréquence d’excitation et une longueur

caractéristique du système de contrôle ou du corps étudié.

La technologie des actionneurs de soufflage est également en pleine expansion afin d’accompagner la recherche sur le contrôle. La plupart des développements actuels s’orientent dans le domaine des microjets. On peut par exemple citer les actionneurs à membrane [81], les oscillateurs fluidiques à effets Coanda [82] ou encore les micro-vannes magnéto-mécaniques [83]. La Figure 47 présente quelque uns de ces actionneurs. Dans le cadre de cette étude, c’est les micro-actionneurs à technologie MEMS (Micro Electro Mechanical System) développés par la société Flowdit [84] qui sont utilisés. Leur fonctionnement est précisé dans le Chapitre III de ce manuscrit.

Les micro-jets se différentient des jets classiques « macro » par leurs dimensions par rapport à l’écoulement à contrôler. Dans le domaine des transports terrestres, les jets sont qualifiés de « micro » dès qu’ils sont de l’ordre de quelques dixièmes de millimètre. Dans le cadre du contrôle actif, l’utilisation des micro-jets présente un avantage certain du point de vue du rendement énergétique de la solution : les débits utilisés sont en effet plus faibles que pour des macro-jets. Un certain nombre d’avantages technologiques peuvent également être trouvés dans l’objectif d’une application à l’automobile de série : les micro-actionneurs présentent un encombrement et un poids relativement contenus, associés à une consommation énergétique faible. Les micro-jets ont également l’avantage d’être particulièrement bien adaptés au contrôle périodique.

Figure 47 : Exemple de micro-actionneurs : actionneur à membrane pour jets synthétiques (gauche, d'après Gimeno et al.

[81]), et micro-vanne magnéto-mécanique (droite, d’après Pernod et al. [83])