PARTIE III - APPROCHE EXPERIMENTALE
3.2. Mesures de pression statique
Pour un corps de Ahmed à culot droit [AHM-84], les travaux de Ahmed montrent que la traînée totale de la géométrie se décompose en 20% de traînée de frottement et 80% de traînée de pression. La traînée de frottement est principalement associée aux parois latérales, au soubassement et au pavillon de la géométrie.
La traînée de pression, en revanche, est associée à la face avant et au culot de la géométrie. Les efforts de pression qui s’exercent à la surface du culot représentent néanmoins la majorité de la traînée de pression. En effet, l’intégration des efforts de pression au culot se traduit par une contribution de 72% à la traînée totale.
Pour la maquette équipée d’un compartiment moteur, la distribution de pression statique au culot est mesurée à partir de 100 prises de pression dont la répartition est indiquée sur la Figure III-9. Pour la maquette dont les sections d’entrée et de sortie sont fermées, la répartition du coefficient de pression statique au culot, défini dans la relation (III-5), n’est pas symétrique (Figure III-16). Cette dissymétrie peut s’expliquer par une légère mise en dérapage de la maquette, un léger désalignement des pieds, etc. Les zones grises représentent les bords de la maquette et la sortie 4 qui n’ont pas pu être équipées de prises de pression.
2 0 0
2ρV 1
p Cp= p−
(III-5)
Cp
Figure III-16: Répartition du coefficient de pression statique au culot de la maquette dont les sections d’entrée et de sortie sont fermées.
Malgré cette dissymétrie, la répartition de pression statique au culot est relativement uniforme et la valeur moyenne du coefficient de pression statique au culot, évaluée à partir des 100 points de mesure, s’élève à :
0,227 fermée)
tion (configura
Cpculot =− (III-6)
Ce coefficient de pression statique moyen est appliqué à toute la surface du culot et engendre une contribution de 68% de la traînée de pression au culot à la traînée totale de la maquette. Cette contribution est du même ordre de grandeur que celle évaluée par Ahmed [AHM-84] et la différence peut provenir du
position de la sortie 4
Chapitre III.3 - Traînée aérodynamique et pression statique au culot
manque d’information à l’emplacement de la sortie 4 et sur les bords de la maquette. Néanmoins, ces données ne sont pas accessibles expérimentalement et la contribution, à la traînée totale, des actions de pression qui s’exercent au culot est évaluée à partir de cette méthode pour toutes les configurations de la maquette.
Lorsque la géométrie est ouverte à l’écoulement extérieur, la contribution des actions de pression au culot à la traînée aérodynamique totale varie en fonction de l’inclinaison des ailettes dans les sections d’entrée et de sortie, et en fonction de la position de la sortie (Figure III-17).
0%
20%
40%
60%
80%
100%
E0° S10° E0° S40° E20° S10° E20° S40° E40°S10° E40°S40°
configuration géométrique dans les sections d'entrée et de sortie
contribution de Cpculot dans la traînée totale
sortie 2 sortie 3 sortie 4 sortie 5
Figure III-17: Contribution des actions de pression au culot dans la traînée totale pour la maquette ouverte à l’écoulement extérieur.
Pour la sortie 5, la contribution des actions de pression au culot dans la traînée totale augmente de manière importante par rapport à la configuration fermée. Elle passe en effet de 68% à 82% en moyenne. Comme il a été indiqué dans le Chapitre III.2 - Dispositif expérimental, la sortie 5 a fait l’objet d’une campagne d’essais différente des autres sorties pour les mesures de pression statique au culot. Lors de cette seconde campagne d’essais, les mesures ont également été effectuées pour la maquette fermée et la pression statique moyenne au culot est alors évaluée à −0,343. Lors de la première campagne d’essais, le coefficient de pression statique moyen pour la maquette fermée s’élève à −0,227(voir relation (III-6)). En valeur absolue, le coefficient de pression statique moyen au culot est alors surestimé lors de la seconde campagne d’essais par rapport aux mesures de la première campagne d’essais, et les mesures associées à la sortie 5 sont mises en doute. Cette surestimation explique notamment les valeurs importantes obtenues pour la contribution de la traînée de pression au culot dans la traînée totale dans le cas de la sortie 5 (environ 82%). Les simulations numériques confirmeront ces doutes dans le Chapitre IV.5 – Résultats numériques pour la maquette ouverte.
Pour les sorties 2, 3 et 4, la contribution des actions de pression au culot dans la traînée totale est généralement plus faible que lorsque la maquette est fermée. Elle s’élève en moyenne à 64% pour la sortie 2, 66% pour la sortie 3 et 67% pour la sortie 4. Lorsque la géométrie est ouverte à l’écoulement extérieur, la traînée totale de la géométrie se décompose en traînée interne et traînée externe. Par conséquent, le passage de l’air dans le compartiment moteur de la maquette constitue une source de traînée supplémentaire par rapport à la configuration fermée, et peut expliquer la diminution de la contribution des actions de pression au culot dans la traînée totale par rapport à la configuration fermée.
Il est important de noter que la traînée interne de la géométrie n’est pas équivalente à la traînée de refroidissement. La traînée interne prend uniquement en compte les efforts de pression et de frottement qui s’exercent sur la surface interne du compartiment moteur. En revanche, la traînée de refroidissement intègre la différence de pression qui s’exerce sur la surface externe de la géométrie entre les configurations ‘ouverte’
et ‘fermée’. La traînée interne est alors comprise dans la traînée de refroidissement comme l’indique la relation suivante :
Chapitre III.3 - Traînée aérodynamique et pression statique au culot compartiment moteur, il est possible d’exprimer la traînée de pression interne en fonction des distributions de vitesse et de pression dans ces surfaces :
cosθ
avec λ, respectivement θ, l’angle formé entre l’axe xr
et la normale nre
extérieure à la section d’entrée Se, respectivement la normale nrs
extérieure à la section de sortie Ss. De même, α, respectivement β, est l’angle formé entre l’axe xr
et le vecteur vitesse Vre
dans la section d’entrée, respectivement le vecteur vitesse Vrs dans la section de sortie. Les coefficients Cpe et Cps représentent les coefficients de pression statique dans les sections d’entrée et de sortie et sont définis par les relations suivantes :
2
En notant q le débit à travers le compartiment moteur et en utilisant l’équation de conservation du débit entre la section d’entrée et la section de sortie du compartiment moteur, la traînée de pression interne peut être reformulée de la manière suivante :
(
Cp S cosλ-Cp S cosθ)
Pour toutes les configurations de la maquette, les angles λ et θ, qui représentent les inclinaisons des sections d’entrée et de sortie, sont nuls et la relation (III-11) devient :(
e e s s)
fonction du coefficient de pression statique Cpe dans la section d’entrée en respectant les étapes suivantes :e
L’expression de la traînée de pression interne donnée dans la relation (III-12) devient alors :
Chapitre III.3 - Traînée aérodynamique et pression statique au culot
La relation (III-14) permet d’identifier les paramètres qui contribuent à la formation de la traînée de pression interne au compartiment moteur. L’inclinaison des ailettes dans les sections d’entrée et de sortie influence les valeurs des sections de passage Se et Ss du fluide, modifie l’amplitude de la vitesse Ve dans la section d’entrée et par conséquent la valeur du débit à travers le compartiment moteur. De la même manière, la modification de l’inclinaison des ailettes dans les sections d’entrée et de sortie change la répartition de pression statique, c'est-à-dire les valeurs de pe, ps et du coefficient de pression statique Cpe.
Dans la relation (III-14), le premier terme du membre de droite est prépondérant devant les deux autres termes puisque ces derniers sont régis par les différences (1-Se/Ss) et (1-Ss/Se) qui sont proches de 0. En effet, lorsque les ailettes sont inclinées de 0° dans la section d’entrée et de 40° dans la section de sortie, le ratio Se/Ss s’élève à 1,1. Par conséquent, c’est la modification de la distribution de pression dans les sections d’entrée et de sortie qui pilote l’évolution de la traînée de pression interne.
Les prises de pression statique placées dans le circuit d’air de la maquette suivant la répartition indiquée sur la Figure III-8 permettent d’avoir une indication sur l’évolution de la différence de pression statique dans la section d’entrée et dans la section de sortie du compartiment moteur : pe-ps. Pour cela, les valeurs du coefficient de pression statique relevé avec la prise n° 10 (voir Figure III-8), prise la plus proche des sections de sortie, sont soustraites aux valeurs du coefficient de pression statique moyenné à partir des prises n° 1 & 2 (voir Figure III-8), placées de part et d’autre de la section d’entrée. L’évolution du coefficient de pression statique qui résulte de cette opération est reportée sur la Figure III-18. De manière générale, ce coefficient tend à diminuer avec l’augmentation de l’inclinaison des ailettes en entrée. Cela suggère une diminution de la traînée de pression interne lorsque l’inclinaison des ailettes augmente dans la section d’entrée du compartiment moteur. Ce résultat est cohérent avec la diminution de la traînée de refroidissement observée dans le paragraphe 3.1.1. lorsque l’inclinaison des ailettes augmente dans la section d’entrée.
-0,15
(a) inclinaison des ailettes en sortie de 10° (b) inclinaison des ailettes en sortie de 40°
Figure III-18: Coefficient de pression statique moyenné à partir des prises de pression n° 1 & 2 indiquées sur la Figure III-8.
3.3. Conclusion
Les mesures en soufflerie montrent que, dans la plupart des cas, la traînée de refroidissement est positive, ce qui signifie que la traînée aérodynamique de la maquette ouverte à l’écoulement extérieur est plus élevée que celle de la maquette fermée. Ce résultat montre que l’écoulement de refroidissement dégrade la traînée totale de la géométrie et est en accord avec les travaux de la littérature (voir Chapitre II.2, section 2.2.2). Il existe
Chapitre III.3 - Traînée aérodynamique et pression statique au culot
cependant une configuration pour laquelle la traînée de la maquette ouverte est inférieure à celle de la maquette fermée. Elle correspond à l’utilisation d’une sortie placée vers le milieu du culot et dont les ailettes sont inclinées de 50° dans la section d’entrée et de 0° dans la section de sortie.
Par ailleurs, les résultats de la littérature sur l’influence de la position de la sortie sont retrouvés ([OHS-97], [BAR-00], [IVA-05]) : les sorties d’air placées au culot de la maquette engendrent des traînée de refroidissement plus faibles que les sorties placées au niveau du soubassement. De même, la contribution de la traînée de refroidissement dans la traînée totale est plus faible pour les sorties au culot que pour les sorties du soubassement. A titre d’exemple, une sortie placée au milieu du culot engendre des contributions de l’ordre de 2% et une sortie placée au niveau du soubassement peut engendrer des contributions qui atteignent 24%.
Les mesures de traînée sur la maquette équipée d’un compartiment moteur apportent également de nouvelles informations quant à la position de la section de sortie. Il existe en effet d’importantes différences pour des sorties placées au niveau du soubassement, plus ou moins loin du culot de la maquette. La contribution de la traînée de refroidissement à la traînée totale peut en effet être réduite de moitié (de 24% à 12%) entre une sortie placée juste avant le culot et une sortie placée plus en amont. De la même manière, des écarts sont mesurés entre les sorties du culot. Une sortie placée vers le milieu du culot engendre des contributions de la traînée de refroidissement dans la traînée totale plus faibles qu’une sortie placée au bas du culot (en moyenne 2% en comparaison à 4%).
Les mesures de pression statique pour la maquette fermée montrent que la contribution des actions de pression dans la traînée totale s’élève à 68%. Ce résultat est en accord avec les travaux de Ahmed [AHM-84]
qui montre que la traînée totale du corps de Ahmed à culot droit est principalement engendrée par la traînée de pression (à hauteur de 80%). Lorsque la maquette est ouverte, la contribution des actions de pression au culot dans la traînée totale diminue légèrement. Cette diminution peut être associée au passage de l’air dans le compartiment moteur qui engendre alors une nouvelle source de traînée pour la maquette, la traînée interne, et par conséquent une nouvelle répartition de la traînée totale. Des mesures de pression statique dans le circuit d’air du compartiment moteur montrent que la diminution de la traînée de refroidissement correspond à une diminution de la traînée interne de la maquette.
Dans le chapitre suivant, les champs de vitesse mesurés au niveau des sections de sortie et du sillage de la maquette sont analysés de manière à expliquer les variations de traînée observées entre les différentes sorties d’air du compartiment moteur.
Chapitre III.4 - Visualisation de l’écoulement autour de la maquette simplifiée
Chapitre III.4 - Visualisation de l’écoulement autour de la maquette simplifiée
Dans ce chapitre, les champs de vitesse mesurés au niveau des sections de sortie et du sillage de la maquette sont analysés. L’examen des mesures de vitesse au niveau des sections de sortie permet d’expliquer la topologie du sillage dans le plan médian y = 0. Il est alors possible d’avancer des explications pour les variations de traînée mesurées dans le chapitre précédent. A partir des mesures de vitesse dans le plan longitudinal, il est également possible d’expliquer les contours du sillage dans un plan transversal à l’écoulement incident, et par conséquent les variations des dimensions transversales du sillage.