La traînée aérodynamique
Pour tout corps se déplaçant dans un milieu fluide (avion, voiture, cycliste, balle de golf ...), il existe une force de résistance à l’avancement appelée communément la traînée
aérodynamique. La force de traînée est liée à la forme, à la taille, et à la vitesse de l’objet
considéré.
L’effet de cette force, qui est opposée au déplacement, peut être exploité pour ralentir un objet, comme un parachutiste par exemple, ou bien il peut être indésirable. Dans le secteur des transports qui nous intéresse, la traînée est un phénomène critique et indésirable qui impacte tous les véhicules terrestres, aériens et nautiques. Dans le cas des véhicules de transport routier (voitures ou camions), la force de traînée aérodynamique est la principale force de résistance à l’avancement pour au delà de 60 km/h environ. La figure0.1 présente l’évolution des contributions des sources de consommation d’énergie pour une voiture à moteur thermique1 en fonction de sa vitesse. On y voit clairement la prédominance de la résistance aérodynamique Raero aux vitesses les plus élevées sur la résistance au roulement Rroul et la résistance due aux frottements internes Rint du moteur et de la chaîne de transmission (données de la compagnie Michelin (2003)).
De plus, au sein de la traînée aérodynamique, on distingue principalement deux contributions :
• la traînée de friction, due aux frottements visqueux du fluide et s’appliquant
tan-gentiellement aux surfaces du véhicule ;
• la traînée de pression, ou encore de forme, due aux différences de pression environnant le véhicule et s’appliquant orthogonalement aux surfaces.
En pratique, plus un objet est bien profilé, comme une aile d’avion par exemple, et plus la composante de pression de la traînée est réduite. À l’inverse, moins un corps est profilé et plus la traînée de pression augmente. La traînée de pression est donc la contribution prépondérante au sein de la traînée aérodynamique pour la majorité des objets non profilés se déplaçant à grande vitesse dans l’air. Ainsi, pour les véhicules routiers, la traînée aérodynamique est constituée, en moyenne, à 80 % par la traînée de
pression et à 20 % par la traînée de friction (Wahba et al. (2012), Wood (2004)). 1. De masse 1.1 t, une surface frontale de 2.5 m2 et un coefficient de traînée de 0.26.
Figure 0.1 – Répartition des efforts résistants à l’avancée d’un véhicule en fonction de la vitesse (Michelin,
2003).
Figure 0.2 – Exemple de champ de vitesses autour d’un véhicule particulier en mouvement (par H. Werlé, ONERA) (Louisnard,2012).
À titre d’illustration, la figure 0.2 présente une photographie d’un test en canal d’écoulement hydrodynamique d’une maquette de voiture. Cette image montre la tra-jectoire de bulles d’air injectées en amont de la maquette indiquant approximativement l’évolution des lignes de courant autour d’une voiture. La direction de déplacement de l’air relativement à la maquette de voiture est représentée par la flèche verte du vecteur −→V∞. On observe que les lignes de courant sont bien régulières à l’avant du véhicule et deviennent perturbées à l’arrière. La séparation entre les deux régimes d’écoulement s’appelle un
décollement. Après le décollement, les lignes ne sont plus parallèles à la surface du véhicule
et un sillage se développe à l’arrière de la maquette.
Ce sillage s’accompagne de phénomènes de recirculations et de tourbillons qui pro-voquent une diminution de la pression sur le corps à l’arrière du véhicule. Cette réduction de la pression appliquée sur la face arrière, le culot, de la voiture, en comparaison à la pression globale p∞ du reste de l’écoulement, induit un phénomène d’aspiration du corps du véhicule vers l’arrière (voir schéma à la figure 0.2) et crée la traînée de pression freinant le véhicule.
Introduction générale
Problématique des véhicules routiers
Bien que la réduction de traînée soit un sujet qui motive de nombreuses recherches depuis plusieurs décennies, l’augmentation des contraintes économiques sur les carburants et les problématiques écologiques font que l’optimisation de la traînée des véhicules est toujours un enjeu capital pour la société actuelle (BP Stats Analysis, 2017).
Selon les études deWood (2003), en 2000, 16 % de l’énergie employée par l’ensemble des États-Unis a servi à lutter contre la traînée aérodynamique affectant les véhicules de transport. Selon les estimations de l’étude, cela correspondait alors à un coût d’environ 60 milliards de dollars annuel pour le pays.
Dans ses travaux,Joseph (2012) estime que pour un véhicule particulier du gabarit d’un véhicule familial roulant à 120 km/h, une réduction de 20 % de la traînée représenterait une économie de 1.4 L de carburant pour 100 km parcourus. En tenant compte de la distance parcourue en France par ces véhicules en 2010, cette économie s’élèverait à 2.4 milliards de litres de carburant, soit plus de 2.7 millions de tonnes de CO2 qui ne participeraient pas au réchauffement climatique. Extrapolée sur les 28 états membres de l’UE en 2012, cela représentait une réduction de plus de 15 % de la consommation annuelle européenne en pétrole.
Il est clair alors que la traînée est un levier puissant pour la réduction de la consommation des véhicules, l’économie de ressources énergétiques et la réduction des émissions de gaz à effet de serre. De plus, la réduction de la traînée des véhicules électriques contribuerait à un allongement considérable de leur autonomie et à une amélioration de leurs performances.
Même si la nécessité de réduire la consommation énergétique des véhicules est une réalité et un besoin partagé par tous les acteurs du secteur des transports, une autre problématique est posée par la forme des véhicules. Économiquement, la forme des véhicules actuels est très importante :
• les véhicules particuliers doivent suivre les modes, proposer suffisamment d’espace pour du transport de biens ou de grandes familles ;
• les véhicules de transport professionnels doivent permettre d’optimiser la charge utile alors que leurs dimensions sont réglementées, notamment en Europe.
Pour ces raisons, le concepteur de véhicules, soucieux de rendre son produit plus aérody-namique ne peut pas simplement lui donner une forme profilée, même si celle-ci réduit la traînée et donc la consommation du véhicule : il doit se conformer à la fonction du véhicule, à la législation en vigueur et au goût de l’acheteur.
Il apparaît alors que la forme des véhicules ne peut pas être utilisée pour réduire la traînée aérodynamique. Ainsi, avec une forme et une taille de véhicule fixées par les
contraintes économiques et réglementaires, la traînée de pression est devenue un des leviers principaux étudiés pour réduire la traînée des véhicules.
Une alternative par le contrôle actif
Au lieu de se contenter de réduire passivement la traînée d’un objet en modifiant sa forme, une alternative consiste à agir activement pour impacter la traînée grâce à des actionneurs alimentés en énergie. Une multitude d’applications de contrôle actif sur des corps non profilés existe dans la littérature. Leur intérêt réside dans la possibilité de réduire la traînée aérodynamique sans effectuer de modification radicale de la forme des véhicules. En raison des contraintes économiques fortes pesant sur les véhicules, la plupart des résultats (Bideaux et al. (2011),Cooper and Leuschen (2005),McCallen et al. (2004),
Schmidt et al.(2015)) traitent des cas d’application de contrôle actif de la traînée sur les poids lourds et les voitures. On trouve également de nombreux exemples d’application du contrôle actif sur des corps axisymétriques (Brackston et al. (2016b), Oxlade et al.
(2015)), les irrégularités de surface (Garwon and King(2005),Gautier and Aider (2013)), ou des ailes d’avion (Nagib et al., 2004).
Un autre avantage des systèmes de contrôle actifs réside dans leur adaptabilité à différentes configurations (vitesse de véhicule, direction du vent environnant ...). En comparaison avec un contrôle passif qui peut être optimal pour des conditions environ-nementales données, le contrôle actif peut être utilisé afin de fournir un actionnement variable permettant une amélioration de la traînée dans une plus grande variété de cas.
Ainsi, dans l’objectif de conserver les formes des véhicules et d’augmenter les capacités des stratégies de réduction de traînée, le développement de systèmes actifs de réduction de traînée est crucial pour le développement des futurs moyens de transport.
La thèse
Cette thèse intitulée contrôle en boucle fermée pour la réduction active de traînée
aérodynamique des véhicules a pour but de développer des méthodes de réduction de
la traînée aérodynamique en boucle fermée en se basant sur la compréhension et la modélisation des phénomènes dynamiques du sillage liés à la traînée de pression. Notre approche s’intéresse au développement et à l’application expérimentales de méthodes de réduction de la traînée efficaces mais aussi économes en énergie. On comparera donc régulièrement la rentabilité énergétique du contrôle actif implémenté afin de proposer des approches potentiellement compatibles avec le besoin d’économie d’énergie des véhicules du futur.
Introduction générale
Figure 0.3 – Récapitula-tif de la liste des acteurs du projet ActivROAD et de leurs apports respectifs au projet.
Projet ActivROAD
Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR ActivROAD (15-CE22-0002) lancé dans l’optique d’explorer de nouvelles méthodes de contrôle actif de la traînée de pression des véhicules. Le projet rassemble trois laboratoires : le Laboratoire Ampère à l’INSA de Lyon, le Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique (LMFA) à l’École Centrale de Lyon, et l’Institut Pprime de l’ENSMA à Poitiers ; ainsi que deux industriels : PSA Peugeot-Citroën et Renault Trucks. Il est supporté par un financement sur 48 mois de l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) à partir d’octobre 2015. La figure0.3récapitule les apports de chaque partenaire au sein du projet.
Dans ce rapport de thèse, tous les résultats expérimentaux présentés ont pu être obtenus au cours de campagnes d’essais réalisées à l’Institut Pprime à Poitiers avec le support précieux du personnel technique et des chercheurs investis dans le projet ActivROAD.
Le projet ActivROAD vise à développer de nouvelles méthodes de contrôle de la traînée de pression des véhicules par l’utilisation d’un contrôle actif par jets d’air pulsés à haute fréquence à l’arrière du corps du véhicule. Deux configurations différentes de véhicules sont à considérer : les voitures et les poids lourds avec remorque. Ces deux configurations sont étudiées en parallèle par les différentes équipes des laboratoires du projet. Elles sont respectivement simplifiées par les appellations voiture et camion.
La démarche de contrôle actif se base sur les études précédentes de : • Chaligné (2013) (LMFA, Renault Trucks) ;
• Barros(2015) (Pprime, PSA) ;
• Szmigiel (2017) (LMFA, Renault Trucks) ; • Li (2017) (Pprime, PSA).
Ces études antérieures ont permis de définir certains comportements globaux de l’écoule-ment à haute vitesse autour des deux types de véhicules (voitures et camions) dans des cas
(3,23, 53, 59, 82,170, 184, 188, 222) (171) (30, 43,85, 135) (57,240) (17, 157) (8, 50,203,220, 239) (11, 39, 44,152, 248)
Figure 0.4 – Arborescence du projet ANR ActivROAD avec les différents axes de recherches développés.
passifs (Szmigiel, 2017), en boucle ouverte (Barros (2015),Chaligné (2013)) et en boucle fermée (Li, 2017) avec des jets d’air pulsés avec une fréquence maximale limitée à 600 Hz.
Or les études fréquentielles ont montré une une diminution de plus en plus importante de la traînée aérodynamique avec l’augmentation de la fréquence d’actionnement des jets sur des maquettes de véhicules simplifiés. Ces résultats préliminaires ont motivé le lancement du projet ActivROAD pour explorer les capacités de l’actionnement pulsé à des fréquences plus importantes, jusqu’à 1 kHz.
Introduction générale
L’architecture globale du projet ActivROAD est illustrée à la figure 0.4 par les axes de développements correspondant aux branches :
Conception d’un système d’actionnement très haute fréquence par jets pulsés :
Conception du système d’actionnement par jets d’air pulsés jusqu’à 1 kHz par le Laboratoire Ampère et caractérisation des jets pouvant être obtenus par le système. Les principaux résultats seront présentés en section 3 du chapitre 2. En particulier, des phénomènes importants de résonance acoustique ont pu être observés Michard et al.
(2017a) et seront détaillés en section 3.
Création d’une maquette expérimentale
Développement d’une maquette expérimentale pouvant être utilisée en configurations voiture et camion. La maquette devait pouvoir contenir le système d’actionnement et s’intégrer dans la soufflerie S620 de l’ENSMA à Poitiers. La maquette a été réalisée directement sur le site de l’ENSMA à Poitiers et a pu bénéficier des moyens de simulation des partenaires industriels du projet ActivROAD.
Étude des actionnements haute fréquence sur la configuration camion :
Étude de l’action haute fréquence des jets sur la configuration camion de la maquette pour différentes conditions d’écoulement (aligné ou par vent transverse) et pour différentes organisations du soufflage au culot de la maquette simplifiée (Sujar-Garrido et al., 2018).
Étude des actionnements haute fréquence sur la configuration voiture :
Étude de l’action haute fréquence des jets sur la configuration voiture de la maquette simplifiée. Cet axe a été développé au cours de travaux de doctorat de Haffner (Haffner
(2018), Haffner et al. (2020b)) portant sur les couplages des jets pulsés à haute fréquence avec les structures dynamiques de l’écoulement et les mécanismes des phénomènes asymé-triques du sillage. Des essais sur une maquette réaliste de voiture (à échelle1/4) (Haffner,
2020) ont été réalisés dans le cadre de ces recherches.
Définition de lois de contrôle pour réduction de la traînée par les jets pulsés à haute fréquence :
Développement de lois de contrôle en boucle fermée pour réduire la traînée des véhicules par l’action des jets pulsés à haute fréquence. Cet axe de développement d’Activ-ROAD correspond aux réalisations de cette thèse.
Comme le montre la figure0.4, les validations expérimentales des lois de contrôle ont été proposées sur la configuration voiture de la maquette de type corps d’Ahmed. Des travaux futurs pourraient permettre de transposer les résultats obtenus dans cette thèse sur la configuration camion du corps d’Ahmed et/ou sur la maquette réaliste de voiture.
Problématique et objectifs de la thèse
La problématique générale de la thèse est la suivante :
Comment employer un contrôle actif à base de jets d’air pulsés sur une maquette de véhicule à échelle réduite pour assurer une réduction de traînée performante, robuste et
énergétiquement rentable ? Les objectifs de la thèse sont :
• comprendre et modéliser les phénomènes dynamiques du sillage dans les cas sans contrôle et dans les cas avec contrôle pour réduire la traînée ;
• définir des stratégies de réduction de la traînée de pression énergétiquement viables ; • valider expérimentalement les démarches de contrôle proposées sur une maquette
simplifiée de véhicule en soufflerie. Organisation du manuscrit
Le manuscrit est organisé en six chapitres (cf. figure0.5) : les trois premiers présentent le sillage des véhicules routiers non profilés comme les voitures ou les camions et les efforts réalisés dans nos études pour le modéliser ; et les trois derniers chapitres sont consacrés à l’implémentation expérimentale de méthodes de contrôle de la traînée.
Tout d’abord, le premier chapitre présente un rapide état de l’art du contrôle de traînée passif et actif des véhicules. Il se termine sur la présentation des moyens expérimentaux disponibles et utilisés au cours de la thèse.
Ensuite, le chapitre 2décrit en détail l’écoulement naturel du sillage des véhicules en s’appuyant sur des données expérimentales de l’écoulement à l’arrière de maquettes simplifiées de voiture et de camion. Le chapitre développe une méthode de transformation des équations de Navier-Stokes pour un domaine précis de l’écoulement dont on souhaiterait établir un modèle de connaissances. Le chapitre se poursuit sur une analyse de l’impact des jets sur la forme du sillage d’une maquette simplifiée de voiture.
Le chapitre 3concerne la présentation des dissymétries du sillage des corps à culot droit. Le contrôle en boucle fermée des dissymétries du sillages est intéressant pour obtenir une réduction de traînée de pression dans des cas d’écoulement variables à un coût énergétique potentiellement réduit. À la fin du chapitre, un modèle des phénomènes aléatoires dissymétriques sera développé et utilisé en simulation.
Introduction générale
Dans la continuité du chapitre3, le chapitre4porte sur le contrôle par mode glissant des dissymétries du sillage. La description du contrôle et des résultats expérimentaux pour des cas d’écoulements alignés et avec du vent transverse sont présentés. Ces études font l’objet des publications en conférences (Haffner et al. (2020d), Mariette et al.(2020)).
Ensuite, le chapitre5 développe une méthode de commande par extremum seeking visant à optimiser automatiquement les paramètres d’actionnement pour obtenir une commande de la traînée applicable à un environnement variable ou des types de véhicules différents sans caractérisations expérimentales préliminaires.
La thèse se termine sur le chapitre6qui présente des lois de contrôle des phénomènes dissymétriques du sillage combinées aux techniques de réduction globale de traînée. L’ensemble de nos expérimentations conduit à des propositions et des recommandations sur l’usage des jets pulsés dans le contrôle en boucle fermée de la traînée des véhicules en particulier par mode glissant et par extremum seeking.
Chapitre 1
Chapitre 2
Chapitre 3
Chapitre 5
Chapitre 4
Chapitre 6
Figure 0.5 – Ordre et contenu des chapitres de la thèse avec indication des relations liant les chapitres entre eux. Les couleurs distinguent les parties sections dédiées à l’écoulement naturel ou actionné en boucle ouverte, des analyses en boucle fermée.