Contribution à l’analyse des structures tourbillonnaires longitudinales
7. INFLUENCE DE L'ORIENTATION DE LA LIGNE D'ATTACHEMENT SUR LA NATURE DE LA STRUCTURE TOURBILLONNAIRE SUR LA NATURE DE LA STRUCTURE TOURBILLONNAIRE
Sur la lunette arrière, la structure tourbillonnaire s'appuie sur la droite y=0 et se développe dans le plan y>0 pour la structure gauche vue de l'arrière, Fig. 24. La ligne d'attachement est au vent (Vre
) et la vitesse résultanteWr
, issue de la composition des vitesses azimutale V (équation 5) et de θ l'écoulement externe Ve, converge vers l'axe de la structure tourbillonnaire. Sa contribution à l'accroissement du débit axial apparaît ainsi continue. Dans ces conditions et selon l'évolution de la section transversale de la structure tourbillonnaire, cette contribution fait évoluer la distribution locale de vitesse axiale vers une distribution de type jet selon l'équation de continuité, Fig. 26.
Fig. 24 – Composition des vitesses azimutale Vθet extérieureVe sur une lunette arrière simplifiée, Wr
vecteur vitesse résultant.
Pour le montant de baie, la ligne d'attachement est sous le vent, la direction de l'écoulement extérieur de vitesse Ve diverge de l'axe tourbillonnaire et la vitesse azimutale diminue avec l'augmentation de la distance au sommet du cône tourbillonnaire, fig 25. Le vecteur résultant Wr
s'écarte alors progressivement de l'axe tourbillonnaire. Lorsque la direction de la vitesse résultante diverge de l'axe tourbillonnaire, la contribution de l'écoulement extérieur au débit axial cesse, la réduction de vitesse axiale associée à l'accroissement des dimensions transversales de la structure tourbillonnaire n'est plus compensée par l'apport extérieur de débit et la vitesse axiale diminue. La distribution transversale de vitesse axiale est de type sillage, fig 26.
Les structures tourbillonnaires longitudinales décollées pour lesquelles les lignes d'attachement sont au
pavillon axe t bill i y x Ve ligne d’ tt h t lunette iè Y X W Vθ X lunette iè Plan X=cte Vθ
vent, apparaissent alors plus propices à l'apparition des structures de type jet. Les expérimentations effectuées sur des maquettes de lunette arrière (ligne d'attachement au vent) ou de montant de baie (ligne d'attachement sous le vent) confirment ce résultat, [2] [6].
axe tourbillonnaire x Ve pare-brise X W Vθ θ Vo Ve sillage jet Vx Ve Y (0,1)
Fig.25 - Composition des vitesses azimutale Vθet extérieureV sur la vitre latérale du pare-brise e simplifié, Wr
vecteur vitesse résultant.
Fig. 26 – Profils de vitesse axiale Vx pour les structures tourbillonnaires de types jet et sillage.
8. CONCLUSION
La topologie de l'écoulement au voisinage des structures tourbillonnaires longitudinales de lunette arrière et de montant de baie est analysée à partir d'approches analytiques et de résultats expérimentaux effectués sur des géométries simplifiées. Au sommet des cônes tourbillonnaires, les visualisations pariétales et les cartographies de pression statique montrent que l'écoulement est soumis à une accélération centripète qui incurve les trajectoires locales de l'écoulement avant le décollement. L'écoulement local est alors soumis à un mouvement à force centrale et les lignes de frottement tendent vers des arcs de cercle. Les vitesses locales et les déviations angulaires de l'écoulement relevées sur la ligne de décollement puis projetées sur le plan de confinement, plan de lunette arrière ou vitre latérale, diminuent en s'éloignant du centre de courbure.
L'influence de la géométrie sur la distribution de pression pariétale est analysée à partir d'un bilan de perte d'énergie volumique. Les discontinuités géométriques de fin de pavillon ou de pare-brise induisent des accroissements de vitesse et des réductions des pressions statiques qui amplifient le processus de formation et d'enroulement des structures tourbillonnaires.
L'influence de l'inclinaison du plan de confinement par rapport à la direction de l'écoulement incident sur la valeur du Swirl est également analysée. Le nombre de Swirl apparaît alors fonction de la déviation angulaire de l'écoulement incident par rapport à la ligne de décollement. Sa valeur diminue et augmente respectivement lorsque l'inclinaison de lunette arrière et de pare-brise augmente. Les faibles angles de lunette arrière et les fortes inclinaisons de pare-brise apparaissent alors plus propices aux phénomènes d'éclatement ou de déstructuration tourbillonnaire. Les résultats obtenus expérimentalement et/ou numériquement sur des géométries simplifiées de lunette arrière et de pare-brise confirment ces résultats.
L'influence de l'orientation de l'écoulement résultant au voisinage de la région d'attachement sur le débit axial de la structure tourbillonnaire est enfin analysée. L'analyse montre que les décollements de lunette arrière (resp. pare-brise) sont plus propices à l'apparition de structures tourbillonnaires de type jet (resp. de type sillage).
REFERENCES
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flows", Optical Diagnostics in Engineering, vol. 1, pp 22-30.
COLLABORATION
Ce travail initié en 2006 pour la partie théorique s'est enrichi de résultats expérimentaux obtenus en collaboration avec Sandrine Aubrun, Annie Leroy, Maîtres de conférences à l'Institut PRISME de l'Université d'Orléans et Pierre Audier, stagiaire en Master à l'Université d'Orléans en 2008.
PUBLICATION
• Gilliéron P., S; Aubrun, A. Leroy & P. Audier, Influence of the Slant Angle of 3D Bluff Bodies on
BREVETS
• Méthode et dispositif de soufflage/aspiration pour provoquer l'éclatement des structures tourbillonnaires longitudinales de montant de baie et de lunette arrière, brevet n°04-11346, auteurs P. Gilliéron & B. Lehugeur.
• Destruction des structures tourbillonnaires longitudinales de sillage automobile par amplification des mécanismes d'instabilité, brevet n°05-52133, auteurs P. Gilliéron & B. Lehugeur.
• Dispositif de destruction des structures tourbillonnaires de sillage de véhicules automobiles, brevet n°06-04574, auteurs P. Gilliéron & B. Lehugeur.
IMPACT SUR LES TRAVAUX SUIVANTS
Ce travail initié à la suite des travaux réalisés sur l'éclatement tourbillonnaire (thèse B. Lehugeur) permet de mieux comprendre les processus de formation et d'alimentation des structures tourbillonnaires de lunette arrière ou de montant de baie. Les résultats suggèrent de poursuivre l'analyse topologique à partir de plans de mesures PIV 3 composantes, de poursuivre la modélisation analytique ainsi que de contrôler le processus d'alimentation de fin de pavillon à partir d'éléments séparateurs verticaux disposés au niveau des arêtes gauche et droite. Ces travaux sont en cours.