1 Méthodes de contrôle de la traînée aérodynamique 1.1 Vocabulaire de la traînée de pression
1.2 Méthodes passives et méthodes actives
Nk X k=1 pk− p∞ pk0− p∞ =
<1 si Cp0 < Cp <0 ⇒ pression sup´erieure `a la pression de r´ef´erence
>1 si Cp < Cp0 <0 ⇒ pression inf´erieure `a la pression de r´ef´erence
(1.6)
Ces indicateurs de pression sont largement utilisés dans les études traitant de la réduction de traînée des véhicules (Barros (2015),Grandemange (2013),Thacker (2010)).
On utilise le ratio γp moyenné sur un certain intervalle de temps, γp, c’est-à-dire le
ratio de coefficient de pression moyen pour calculer l’écart relatif :
∆γp = γp− 1 = Cp− Cp0 Cp0
(1.7) Cet écart sera exprimé la plupart du temps sous forme de pourcentage et peut représenter un gain (en pourcentage) de la stratégie de contrôle par rapport au cas naturel sous sa forme : −∆γp. On peut alors classifier les performances des contrôles sur la pression au culot (et la traînée) selon :
−∆γp >0 : γp < 1, la pression au culot est supérieure à la pression de référence sans contrôle, on obtient un gain positif.
−∆γp <0 : γp > 1, la pression au culot est inférieure à la pression de référence sans contrôle ;
On peut également définir un gain pour le coefficient de pression Cx : −∆γCx, qui permet de quantifier par un gain positif une réduction de la traînée et par un gain négatif, une augmentation de la traînée.
1.2 Méthodes passives et méthodes actives
On distingue deux façons de modifier l’écoulement autour d’un véhicule se déplaçant dans un fluide :
1. Passivement : on modifie la forme de l’objet ;
2. Activement : on utilise une source d’énergie pour interagir avec l’écoulement. En pratique, les méthodes passives sont les plus simples à mettre en œuvre et assurent un gain énergétique net si le système réduit la traînée (Choi et al. (2014), Chuan Eun et al. (2018)). Par exemple, à l’aide de simulations numériques, McCallen et al. (2004)
Section 1. Méthodes de contrôle de la traînée aérodynamique
(a) (b) (c)
Figure 1.4 – Systèmes passifs et actifs de réduction de traînée de pression à l’arrière d’une remorque de camion : (a) Systèmes passifs (Nussbaum Transportation (2017) (Roberts,2017)) : remorque équipée de jupes latérales et de volets déflecteurs escamotables à l’arrière ; (b) et (c) Système passif et actif (El-Alti, 2012) : volets déflecteurs et haut-parleurs pour génération de jets synthétiques.
rapportent une possibilité de réduction de traînée de 15 % avec des volets déflecteurs passifs orientés à 20° à l’arrière d’une remorque de poids lourd. Malheureusement, il est difficile d’optimiser les solutions passives pour différentes situations d’écoulement.
À l’opposé, un système actif peut potentiellement être utilisé dans un plus grand nombre de configurations d’écoulement en adaptant le contrôle appliqué. En revanche, le contrôle actif ne fournit pas un gain net, car il requiert une source d’énergie pour fonctionner.
La figure 1.4 présente des exemples de systèmes passifs et actifs pour le cas de remorques de camion. Ces études ont la particularité de concerner des modèles de véhicules à échelle réelle.
Pour les deux modèles de remorque de la figure 1.4, on note la présence de volets déflecteurs à l’arrière. Ces volets ont pour objectif de réduire le décollement de l’écoulement à l’arrière de la remorque du camion. La réduction de la taille et de l’intensité des instabilités du sillage (Evrard et al., 2016) qui s’en suit permet une réduction non négligeable de la traînée de pression, mais les deux configurations sont différentes. Les volets de l’image 1.4(a) sont des surfaces uniquement passives qui dévient le fluide. Ils sont plus grands que ceux de l’image 1.4(b-c) pour lesquels les volets passifs sont couplés à des actionneurs fluidiques. En effet, les haut-parleurs visibles dans l’image 1.4(c) servent à générer des jets d’air à travers des fentes fines placées sur les volets. L’apport du contrôle actif permet alors une réduction de la taille des volets et de l’encombrement du système de réduction de traînée.
Quantitativement, pour une maquette à échelle réduite testée en soufflerie avec des volets inclinés à 30° par rapport aux flancs de la remorque,El-Alti et al.(2012) rapportent une réduction de la traînée de 1.8 % lors de l’usage du système passif seul (cf. figure 1.4(b)). Dans le cas de l’utilisation additionnelle de jets synthétiques obtenus grâce aux
Figure 1.5 – Images de la configuration expé-rimentale deEnglar(2005) avec une remorque de camion complète équipée de surfaces pas-sives arrondies et un zoom avec la vectori-sation de l’air visible par les brins de laine restant collés aux surfaces par effet Coanda.
haut-parleurs (cf. figure 1.4(c)), ils obtiennent une réduction de traînée de 3.9 %.
En revanche, pour un camion à échelle réelle, testé sur piste en plein air,El-Alti
(2012) ne rapportent pas de gain positif sur la consommation de carburant par l’usage du contrôle passif-actif.
Néanmoins, les résultats prometteurs obtenus en soufflerie parEl-Alti et al. (2012), promeuvent le développement de méthodes passives et actives pour la réduction de traînée.
Un autre exemple de contrôle actif sur une remorque de camion à échelle réelle est fourni par Englar (2001,2004, 2005). Il s’agit d’un actionnement par jets d’air continu couplé à des surfaces arrondies placées à l’arrière d’une remorque de camion (voir figure 1.5 et l’air soufflé suivant les surfaces arrondies par effet Coanda).
Lors d’essais à échelle réduite en soufflerie, Englar et al. ont réussi à obtenir une réduction prévisionnelle de 16 % de la consommation de carburant par modification de la forme d’un camion avec remorque et de 23 % lors de l’ajout de jets d’air continus déviés par effet Coanda. Toutefois, les tests sur route à échelle réelle n’ont également pas pu valider de telles économies de carburant.
Ces résultats mitigés montrent que la réduction de traînée par le contrôle actif ne conduit pas nécessairement à un gain réel sur la consommation de carburant. L’utilisation de méthodes de contrôle en boucle fermée prenant en compte la rentabilité de leur actionnement devrait pouvoir néanmoins contribuer à l’amélioration de la rentabilité des méthodes de réduction de la traînée.
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Variables adimensionnelles
En mécanique des fluides, il est nécessaire d’adimensionner les variables avec lesquelles on travaille. On introduit ici deux adimensionnements classiques pour l’étude d’écoulement à haute vitesse (Candel, 1995) :
• Le nombre de Reynolds qui représente le rapport entre les efforts inertiels et visqueux. On calcule le nombre de Reynolds Re par rapport à la taille H d’un objet dans un fluide en fonction de la vitesse de l’écoulement V∞ :
ReH = HV∞
ν (1.8)
où ν est la viscosité cinématique du fluide à température ambiante.
• Le nombre de Strouhal qui normalise la fréquence f d’un phénomène par rapport à une pulsation caractéristique de l’écoulement :
StH = Hf
V∞
(1.9)
1.3 Contrôle actif de la traînée
Les précédents exemples illustrent la nécessité de maîtriser les technologies passives et actives pour définir une méthode de réduction de traînée efficace pour les véhicules routiers. Par exemple, de nombreux systèmes passifs permettent déjà d’améliorer l’aérodynamique des camions (Cooper and Leuschen,2005). De même, il existe plusieurs types de systèmes actifs de contrôle des fluides qui présentent des actions et domaines de fonctionnement différents (Cattafesta and Sheplak(2011),Wang et al.(2012)). Également, une classification des domaines fréquentiels de ces actionneurs et de leur force d’actionnement peut être trouvée dans les travaux de Bell et al. (2005).
Pour simplifier, il existe trois familles d’actionneurs principaux : les générateurs de jets d’air pulsés ou synthétiques (fluidiques), les actionneurs avec des surfaces mobiles (Beaudoin et al. (2006b), Modi et al. (1991)) ou vibrantes, et les actionneurs à plasma (par flux de gaz ionisés) (Cattafesta and Sheplak, 2011).
Parmi ces familles, les actionneurs fluidiques présentent un fort impact sur les fluides, ils sont répartis en deux classes principales :
• les systèmes par jets synthétiques : pouvant être utilisés à très haute fréquence (∼ 10 kHz), ils utilisent l’air ambiant pour fonctionner et sont peu gourmands en énergie ; • les systèmes par jets pulsés : applicables pour des fréquences d’actionnement plus
faibles (≤ 1 kHz), ils nécessitent une source d’air comprimé afin de générer des jets mais présentent des débits d’air plus importants que les jets synthétiques.
Dans le cadre de cette thèse, on utilise des jets pulsés en raison de leur impact important sur le sillage et de leur bonne applicabilité pour la réduction de la traînée de pression à haute vitesse d’écoulement (ReH ∼ 105) (Barros et al., 2016).
La diversité des solutions de contrôle des écoulements est issue d’une grande richesse d’études du contrôle des fluides. Les applications industrielles du contrôle de fluides existent en effet depuis plusieurs années (contrôle des décollements (Aubrun et al. (2017),
Bons et al. (2002),De Giorgi et al. (2015), Greenblatt and Wygnanski(2000)), maîtrise de la forme des jets dans un fluide (Sinha et al., 2010), réduction de phénomènes acoustiques (Illingworth et al., 2012) et optimisation du mélange de fluides (Shaqarin et al., 2018)).
L’application de méthodologies de contrôle en boucle fermée du sillage des véhicules à grande vitesse est, en revanche, relativement récente (Brunton and Noack, 2015)3.
Il est tout d’abord commun de trouver des études des effets du contrôle actif de la traînée des véhicules par boucle ouverte. En pratique, les méthodes de contrôle en boucle ouverte nécessitent une très bonne connaissance du comportement du système à contrôler ou sont employées pour explorer les effets d’un contrôle sur un système. Elles permettent d’affecter une commande précédemment validée à une situation donnée mais nécessite de tester de très nombreux cas de contrôle pour rendre la méthode applicable. En revanche, les approches de contrôle en boucle fermée qui utilisent l’analyse automatique de mesure effectuées sur le système peuvent automatiquement adapter une commande à une modification même imprévue de l’environnement. Toutefois, les difficultés de la modélisation des phénomènes turbulents ont longtemps limité les études de contrôle en boucle fermée des écoulement.
On trouve par exemple chez Joseph et al.(2012) des caractérisations de l’effet de l’actionnement en boucle ouverte par jets continus et périodiques sur la lunette arrière (inclinée à 25°) d’un corps d’Ahmed (Ahmed et al., 1984) (représentant une voiture). Ces études permettent d’afficher une réduction de traînée de 8 % pour des actionnements par jets pulsés à des fréquences proches de celles des instabilités naturelles du sillage. Cette évolution de la traînée de pression correspond également à une augmentation de la pression sur la surface inclinée et le culot du corps d’Ahmed étudié. Bien que les gains en traînée et en pression présentent des ordres de grandeur différents (jusqu’à 40 % de gain en pression sur la lunette arrière), la correspondance entre la possible réduction de la dépression à l’arrière d’un corps non profilée et la réduction de la traînée de pression peut être clairement établie. En complément, des essais sur un cas de véhicule réel (Aider et al.,
2014) ont confirmé la possibilité d’appliquer le contrôle par jets pulsés, plus économe, pour réduire aussi la traînée aérodynamique.
Des essais de contrôle de la traînée de pression pour les corps d’Ahmed à culot 3. Plus de détails sur les classifications des méthodes de contrôle et la distinction entre boucle ouverte et boucle fermée peuvent être trouvés en annexeA.2.
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Figure 1.6 – Réduction de γp par actionnement par jets pulsés des quatre côtés du culot d’un corps d’Ahmed (Barros et al.,2016) : Cas sans surfaces coandas et cas avec effet Coanda déviant les jets ◦. Les schémas décrivent le sillage, sa modification suite à l’actionnement et la réduction qualitative de traînée associée.
droit, c’est-à-dire sans lunette inclinée, ont également été conduits parBarros et al. (2016) avec des jets pulsés à haute fréquence et l’ajout de surfaces courbes en bord de fente d’éjection des jets. Ces surfaces courbes, comme dans le cas d’Englar (2005) (voir figure 1.5) dévient l’actionnement fluidique par effet Coanda vers la zone de recirculation. Pour cette configuration de maquette, Barros et al. (2016) parviennent à une réduction de traînée de 18 % avec un actionnement des quatre côtés du culot à une fréquence de 600 Hz. Selon les auteurs, ce contrôle nécessiterait 5 fois moins d’énergie que l’énergie économisée grâce à la réduction de traînée. De plus, la tendance obtenue semble montrer que la réduction de traînée pourrait être encore améliorée avec un actionnement à des fréquences encore plus élevées (∼ 1 kHz) mais que le dispositif expérimental de l’étude (Barros et al.,
2016) ne peut pas atteindre.
L’effet de l’actionnement par jets pulsés, déviés par la surface coanda passive, est visible sur l’évolution des ratios de pression moyens γp à la figure 1.6 (d’après Barros et al. (2016)). La figure présente aussi la modification de la forme du sillage reportée par Barros et l’effet qualitatif sur la recirculation dans le sillage et la traînée. Grâce aux surfaces coandas, les auteurs notent une nette modification de la forme du sillage avec un rétrécissement de sa section et de sa longueur qui est propice à une faible recirculation et une réduction de la traînée.
Récemment, le développement de méthodes de contrôle d’écoulement en boucle fermée permet d’observer l’augmentation du nombre d’études traitant des configurations variables d’écoulements ou proposant une réduction globale de l’énergie du système, actionnement compris.
Toutefois, pour le cas des véhicules en mouvements, comme précisé en partie 1.1, la mesure des efforts aérodynamiques dans l’écoulement n’est pas accessible. De nombreuses méthodes de régulation en boucle fermée basées sur une mesure des effets du contrôle en aval de l’écoulement (Berk et al. (2017), Gautier and Aider (2013), Illingworth et al.
(2012)) ne sont alors pas applicables sans disposer d’un modèle des effets du contrôle sur les paramètres dynamiques du sillage.
Dans le cas du sillage turbulent es véhicules, les problèmes de modélisation des non-linéarités et des couplages de la dynamique des fluides peuvent être abordés par des modèles partiels et/ou locaux. Ces modèles se basent sur les analyses d’actionnements en boucle ouverte par approximation linéaire (Brackston et al. (2016a),Kim and Bewley
(2007)), ou bien sur les dynamiques principales de l’écoulement (Dalla Longa et al.,2017), ou encore sur des simulations numériques préliminaires (Evstafyeva et al.(2017),Podvin et al. (2020)).
Ces méthodes peuvent également être complétées par d’autres approches en boucle fermée utilisant des modèles de comportement, comme la connaissance de points de fonctionnement optimaux pour réaliser un contrôle adaptatif (Beaudoin et al. (2006a),
Brackston et al.(2016b), Li et al.(2016),Pastoor et al. (2008)), l’adaptation de familles de contrôle pour un modèle local (Chovet et al. (2019), Plumejeau et al.(2019)), ou l’analyse de données par intelligence artificielle (Li et al., 2017).
En particulier, on relève :
• chez Pastoor et al. (2008) : une réduction de traînée de 15 % et une augmentation de pression au culot de 40 % sur un corps bidimensionnel grâce à des méthodes d’optimisation du contrôle, et,
• chez Li et al. (2017) : une réduction de traînée de 22 % et une augmentation de pression au culot de 33 % grâce à la définition de lois de contrôle par algorithme d’apprentissage génétique. Toutefois, ces résultats sont obtenus à partir d’iden-tification des actionnements les plus rentables sur le système étudié, c’est-à-dire qu’ils demandent un certain temps d’adaptation (ou de convergence). Ces méthodes peuvent donc être mises en défaut si l’environnement varie plus rapidement que le temps de convergence des méthodes.
En pratique, la régulation de traînée en boucle fermée se heurte donc au manque de modèle précis liant les dynamiques du sillage, l’actionnement effectué au bord de la zone de recirculation à l’arrière du véhicule, et la traînée de pression. À cause des verrous techniques pour modéliser l’écoulement complet à l’arrière des véhicules, les études se concentrent en général sur un phénomène en particulier qui permet, par son contrôle, d’obtenir des réductions de traînée indirectes (Brackston et al., 2018a). C’est le cas de
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et leur réduction pour obtenir une augmentation de pression au culot de 2 %, ou encore de Plumejeau et al. (2019) qui, très récemment, ont pu appliquer une commande sans modèle pour contrôler ces mêmes dynamiques, avec un gain en traînée de 2.5 %.
Toutefois, bien que des exemples de régulation de la traînée de pression des véhicules existent, il est rare de trouver des lois de contrôles en boucle fermée visant directement des gains nets d’énergie. Un exemple peut être trouvé dans les travaux de Beaudoin et al.
(2006a) qui utilisent une technique adaptative pour réduire la traînée d’un obstacle dans un fluide à un moindre coût énergétique.
Pour finir, bien que l’utilisation d’un modèle permettrait une prise en compte efficace et rapide des fluctuations de l’environnement du système sans avoir à utiliser de méthodes de simulation ou d’apprentissage, impraticables en temps réel, un tel modèle reste difficile à développer. Il faudrait pour cela pouvoir extraire les dynamiques essentielles représentant les interactions entre le contrôle, le sillage et la traînée par exemple (Rigas et al. (2017),
Stella et al. (2017)).
1.4 Récapitulatif
Dans les paragraphes précédents, les problématiques de la traînée des véhicules ont été présentées et les apports des solutions de contrôle actif couplées à des équipements passifs ont été discutés. Les grandeurs descriptives de la traînée ont également été introduites et les problématiques de définition de modèles pour le contrôle de traînée ont été illustrées. Afin de répondre à la problématique de la thèse et de réaliser les objectifs définis pour y arriver, nous pouvons relever différents points dans cette analyse de la littérature :
1. Les mesures directes de la force de traînée ne sont pas applicables à une utilisation industrielle réelle. Il est donc plus cohérent de travailler avec les valeurs de pression pariétales pour évaluer les évolutions de la traînée aérodynamique.
2. L’actionnement par jets pulsés à très haute fréquence (∼ 1 kHz) qui n’a pas encore été testé dans la littérature pourrait permettre des réductions de traînée importantes. 3. Il est nécessaire de pouvoir proposer des stratégies de contrôle par boucle fermée qui
permettent d’assurer des réductions de traînée de pression dans une grande variété de cas que ceux pouvant être explorer pour développer des approches de contrôle par boucle ouverte.
4. Les démarches de contrôle en boucle fermée reposent généralement sur l’utilisation d’un modèle qui permet d’ajuster l’actionnement en fonction des besoins du contrôle. Les modèles utilisant davantage d’informations tirées de la représentation physique des phénomènes peuvent être plus facilement critiqués et adaptés aux objectifs de contrôle que des modèles identifiés à partir de données ou obtenus par intelligence artificielle. Il serait donc préférable de se baser sur des modèles physiques pour définir un contrôle de traînée aérodynamique performant. Néanmoins, en l’absence
de tels modèles, des méthodes de contrôle adaptatives pourraient également être appliquées plus rapidement pour répondre aux besoins industriels.
(a)
(b) (c)
(d)
Figure 1.7 – Maquette ActivROAD : (a) vue de l’arrière en configuration voiture, (b-c) photographies de la maquette montée dans la veine d’essai, (d) description des configurations voiture et camion obtenues par pivotement, (d), maquette Activ-ROAD en configuration camion avec ajout de grilles de pertes de charge pour étudier l’impact du flux sous le véhicule sur le sillage.
Section 2. Dispositif expérimental
Maquette Fentes
Hauteur H = 0.30 m Hauteur des fentes
h= 1 mm Largeur W = 0.36 m
Longueur L= 1.00 m Largeur des de fentes l = 40 mm Garde au sol G = 50 mm
Tableau 1.1 – Dimensions de la maquette ActivROAD (en configuration voiture) et des fentes de soufflage.