Cette section vise à comprendre les effets de la pression d’alimentation Pi sur les dynamiques induites par les jets latéraux lors du contrôle par mode glissant avec prédicteur et zone morte des asymétries du sillage dans la configuration alignée (β = 0°) de la maquette ActivROAD. On utilise les données présentées en partie3.4pour lesquelles différentes valeurs de Pi sont testées. On rappelle que la vitesse de l’écoulement est fixée à V∞ = 35 m/s (ReH = 7 × 105), que la fréquence d’actionnement est f = 1050Hz (RC = 0.5) et que la zone morte est paramétrée par ε0 = 0.8.
La figure 4.19 présente les effets des basculements provoqués par le contrôle sur les évolutions moyennes de yb et de la pression au culot. Les valeurs présentée sont calculées sur une fenêtre de 0.21 s à partir de l’envoi du signal de commande aux côtés latéraux de la maquette. La moyenne entre tous les actionnements d’un côté du sillage donne les dynamiques des indicateurs (yb, Cp ...) lors du déclenchement des impulsions à gauche (u = −1) et à droite (u = +1). Dans les graphiques les transitions provoquées débutent
toutes à t = 0 s.
La ligne 4.19(a), montre l’effet du contrôle sur yb. Pour le cas du contrôle à gauche,
u = −1, lorsque le barycentre se déplace trop loin du côté droit, le contrôle applique la commande négative. Le basculement du barycentre vers y = 0 se produit alors et, pour toutes les valeurs de pression d’alimentation Pi, yb dépasse la consigne y = 0 avant de converger en moyenne. Ce dépassement se retrouve dans les cas d’actionnement par impulsions développés en partie 3.4 du chapitre 3. Comme ce dépassement semble indépendant de Pi, il peut venir de la perturbation générée par les jets d’air et la déviation due à la surface coanda.
Globalement, la moyenne de toutes les transitions de yb montre une dynamique qui se stabilise autour de 0 et une vitesse de basculement qui augmente avec la pression d’alimentation Pi. La fréquence d’oscillation apparaissant lors de transitions positives et négatives de yb se trouve autour de 20 Hz et s’apparente à l’oscillation déjà observée durant l’analyse des transitions du barycentre dans le cas naturel (cf. partie 2.3 du chapitre 3).
La ligne4.19(b), présente l’évolution de Cp lors des basculements forcés du barycentre. Les deux cas d’actionnements (u = ±1) montrent une large dépression créée en même temps que le basculement : pour Pi = 0.25 MPa, la plus haute pression testée, on reporte une baisse maximale de 10.8 % de la pression au culot. Pour la pression d’alimentation la plus basse, cette baisse de pression au culot est réduite à 2.70 %. Il semble donc que les effets des jets observés lors des basculements forcés à fréquence fixe (voir partie 3.2, chapitre 3) se retrouvent également dans le cas de l’actionnement par contrôle par mode glissant avec zone morte.
Section 4. Effets des jets latéraux sur la pression au culot lors du contrôle de symétrie (a) (b) (c) (d) (e)
Figure 4.19 – Effet de la pression d’alimentation Pilors des basculements provoqués par le contrôle avec prédicteur et zone morte sur les dynamiques de : (a) yb; (b) Cp; (c) Cp, C, le coefficient de pression moyenné sur les capteurs au centre du culot ; (d)
Cp, D, le coefficient de pression pour le capteur à z = 0 le plus à droite du culot ; (e)
On se demande si cette baisse de pression au culot est globale ou localisée dans une certaine partie du culot.
Pour répondre à cette question les dernières lignes de la figure 4.19 décrivent respectivement les évolutions de pression des quatre capteurs placés au centre de culot (c), d’un capteur à droite (d) et à gauche du culot (e) (pour les capteurs de (d) et de (e),
z = 0).
En (c), l’évolution de la pression sur le centre du culot coïncide avec celle de la moyenne spatiale totale sur le culot. Pour (d) et (e), c’est-à-dire les capteurs latéraux plus proches des fentes d’éjection des jets, on observe une dynamique symétrique d’un côté à l’autre. Dans les deux cas le coefficient de pression après un basculement est le même, Cp ∼ −0.2, pour les côtés latéraux. En moyenne, après l’actionnement, les champs de pression sur le pourtour de la maquette semblent donc être égalisés. Cependant, cette égalisation se situe autour d’une pression moyenne plus basse que la pression moyenne au centre du culot et que la valeur de pression moyenne sans contrôle.
Le défaut du contrôle avec zone morte en configuration alignée apparaissant dans les résultats de réduction de traînée à la partie précédente semble donc bien venir d’un effet trop prononcé des jets sur les couches de mélanges latérales du culot qui déstabilise l’état de pression aux bords du culot.
Les transitoires moyennés après l’activation du contrôle permettent de visualiser la variation rapide de la pression moyenne vers un état défavorable, mais ne permettent pas de bien comprendre l’effet des jets sur le niveau moyen de pression observé. On prolonge donc le temps sur lequel est réalisée la moyenne statistique des basculements forcés afin de visualiser les évolutions de Cp longtemps après le basculement. La figure 4.20 montre les valeurs de Cp moyennées sur tous les transitoires des essais précédents, pour chaque pression d’alimentation. La hiérarchie initiée dans la phase transitoire, avec une plus forte dépression générée par les plus fortes pressions, est conservée dans l’état final, comme le montre la partie du graphique pour t > 0.1 s. On relève alors des niveaux de pression sur la durée de la transition représentée dans la figure 4.20qui correspondent aux mesures relevées dans le tableau 4.5.
On peut alors conclure que les niveaux moyens de pression dépendent fortement de la force des jets utilisés pour le contrôle de la symétrie dans le cas aligné et que l’activation des jets provoque une soudaine chute de la pression au culot avant une stabilisation. Les seules augmentations de pression moyenne obtenues dans le cas du contrôle par mode glissant avec zone morte, utilisent les pressions d’alimentation les plus faibles applicables au EVs de la maquette ActivROAD. Il est donc intéressant de favoriser ce type d’actionnement dans le cas de la configuration alignée.
De plus, les valeurs moyennes du coefficient de traînée se comportent de la même façon que les valeurs moyennes du coefficient de pression. Cependant, la valeur de Pi pour
Section 4. Effets des jets latéraux sur la pression au culot lors du contrôle de symétrie
Figure 4.20 – Tracé de l’évolution de Cp dans le cas de tous les basculements provoqués par le contrôle par mode glissant avec zone morte pour différentes pressions d’alimentation Pi. La ligne noire discontinue ( ) marque le niveau de coefficient de pression sans contrôle à V∞= 35 m/s.
laquelle ces gains passent en négatif (dénotant la diminution) sont différents pour les deux mesures.
Afin de comprendre mieux les phénomènes apparaissant sur la force de traînée dans le cas des actionnements latéraux, des essais complémentaires à haute résolution temporelle seraient nécessaires. La technique de moyenne statistique appliquée sur le Cx pourrait alors faire apparaître l’effet des jets et de la perturbation du sillage sur la traînée.
Il semble donc que la force des jets, impactée par la valeur de la pression d’alimenta-tion Pi provoque des chutes importantes de la pression au culot lors de l’actionnement des couches de mélanges latérales pour le contrôle des asymétries du sillage dans la configuration alignée de la maquette ActivROAD.
Dans la mesure où on a vu que des jets, même peu énergétiques, permettaient de réduire les asymétries du sillage via le contrôle par mode glissant avec prédicteur et zone morte de la position du barycentre, il serait possible d’optimiser un système d’actionne-ment fournissant les mêmes caractéristiques que les jets pulsés (ouverture rapide, pic de vitesse de soufflage ...), mais avec un impact plus réduit sur les niveaux de pression au culot. Ce travail de développement permettrait de symétriser le sillage grâce à la boucle fermée sans impacter négativement la pression au culot de la maquette ActivROAD. Il permettrait aussi d’obtenir des réductions de traînée de pression comparables à celles atteintes dans le cas en dérapage de la partie 3.5. De plus, le rendement énergétique de ces actionneurs optimisés dépasserait certainement largement ceux des actionneurs utilisés dans le cadre de cette thèse. Le contrôle par mode glissant avec prédicteur et zone morte conduirait alors potentiellement à des réductions importantes de la traînée de pression
dans des cas d’écoulements fortement dynamiques comme lors de variations importantes et rapides de direction d’incidence du vent.
Conclusion
Les études préliminaires sur la symétrie du sillage de la maquette ActivROAD ont montré que les asymétries dues à un vent transverse par rapport au corps de la maquette et le phénomène de bistabilité contribuaient à une diminution supplémentaire de la pression au culot de l’ordre de 10 %. Comme les méthodes d’actionnement en boucle ouverte ne parviennent pas à réguler la symétrie du sillage en temps réel lors de modifications brutales de l’écoulement, on s’est tournée vers une approche de contrôle en boucle fermée de la position du barycentre de pression sur le culot de la maquette expérimentale.
En développant un modèle d’intégrateur avec retard pour les dynamiques du ba-rycentre contrôlé par les jets latéraux du culot, on a proposé une démarche de contrôle par mode glissant avec prédicteur permettant de compenser le retard convectif entre la commande et la mesure de l’état de symétrie du sillage. Ce contrôle a permis de limiter l’excitation du phénomène de lâcher tourbillonnaire apparaissant lors du contrôle des asymétries en configuration alignée (β = 0°).
L’instabilité tourbillonnaire de von-Karman apparaissant lors du contrôle par mode glissant diminue le niveau de pression sur le culot de la maquette et augmente la force de traînée aérodynamique. Il a néanmoins été possible de réduire complètement le phénomène de résonance tout en assurant une symétrisation du sillage via l’ajout d’une zone morte dans la stratégie de contrôle avec prédicteur.
Ainsi, pour un nombre de Reynolds élevé (ReH = 7 × 105), la loi de contrôle par mode glissant avec prédicteur et zone morte est en mesure de stabiliser la symétrie du sillage en configuration alignée comme en dérapage. Pour un actionnement à 1050 Hz, on relève une augmentation de la pression au culot dans le cas aligné de 1.91 % pour une faible pression d’alimentation des actionneurs, et dans un cas en dérapage à 1.7° de 2.95 % pour une pression d’alimentation supérieure. Il apparaît que la symétrisation du barycentre pour les angulations les plus faibles nécessite une pression d’alimentation réduite alors que pour de grands angles de dérapage, des pressions d’alimentations plus grandes réduisent l’asymétrie du sillage et la traînée de pression.
En perspective, les effets dynamiques des jets pulsés sur les couches de mélange latérales méritent des études plus poussées avec des moyens d’imageries comme par PIV pour comprendre l’action complexe des jets pulsés sur la pression au culot et les structures du sillage dans les cas contrôlés.
Conclusion
Dans cette thèse, des développements complémentaires des effets du contrôle avec prédicteur et zone morte sont présentés dans les sections du chapitre 6afin d’approfondir les relations entre l’actionnement des couches de mélange du sillage et la traînée de pression des véhicules.
Les résultats de ce chapitre figurent dans différentes présentations en colloques scientifiques (Mariette, 2019a,b) et en conférences internationales dont celle de l’IFAC (Mariette et al., 2020) et celle de l’Association Française d’Aérospatiale (Haffner et al.,