Mesures de traînée

Les mesures de traînée de la maquette simplifiée sont tout d’abord interprétées en termes de traînée de refroidissement, puis la contribution du compartiment moteur dans la traînée totale est commentée.

3.1.1. Traînée de refroidissement

La traînée de refroidissement correspond à la traînée engendrée par le passage de l’air dans le compartiment moteur des véhicules. Elle est définie comme la différence de traînée du véhicule dont les entrées d’air sont ouvertes puis fermées.

Dans le cas de la maquette simplifiée, la traînée de refroidissement est évaluée par la différence de traînée de la maquette lorsque ses sections d’entrée et de sortie sont successivement ouvertes puis fermées. Le coefficient aérodynamique de traînée de refroidissement est alors donné par la relation suivante :

Cx(refroidissement) = Cx(configuration ouverte) - Cx(configuration fermée) (III-3) Si cette différence est positive, alors l’ouverture de la maquette à l’écoulement extérieur entraîne une augmentation de traînée. Si, au contraire, cette différence est négative, alors l’ouverture de la maquette à l’écoulement extérieur entraîne une diminution de traînée.

La valeur du coefficient aérodynamique de traînée de la maquette dont les sections d’entrée et de sortie sont fermées, noté Cx(configuration fermée), s’élève à :

Cx(configuration fermée) = 0,335 (III-4)

Chapitre III.3 - Traînée aérodynamique et pression statique au culot

Le coefficient de traînée de refroidissement est alors évalué pour toutes les configurations de la maquette simplifiée : cinq inclinaisons dans la section d’entrée × cinq inclinaisons dans la section de sortie × cinq sorties possibles, soit au total 125 configurations. Son évolution en fonction de l’inclinaison des ailettes dans la section de sortie est reportée sur la Figure III-14 pour toutes les inclinaisons dans la section d’entrée.

Dans la majorité des cas, l’ouverture de la maquette à l’écoulement incident se traduit par une augmentation de sa traînée puisque la traînée de refroidissement est positive. Cela signifie que l’écoulement de refroidissement dégrade la traînée aérodynamique du compartiment moteur simplifié. Cette observation est en accord avec les études bibliographiques présentées dans le Chapitre II.2 - Approches expérimentales dans la littérature. Il existe une unique configuration pour laquelle il est plus intéressant, en termes de traînée, d’ouvrir les sections d’entrée et de sortie que de les fermer. Elle correspond à l’utilisation de la sortie 5, située au milieu du culot (voir Figure III-14), dont l’inclinaison des ailettes dans les sections d’entrée et de sortie est respectivement égale à 50° et 0°.

Les différents angles testés en entrée (0°, 10°, 20°, 40° et 50°) engendrent une évolution similaire du coefficient de traînée de refroidissement en fonction de l’inclinaison des ailettes en sortie. Puisque la traînée aérodynamique est directement liée au coefficient de pression statique moyen au culot pour une géométrie de type culot droit ([CHO-96]), cela montre que c’est la configuration de la section de sortie qui influence de manière directe l’écoulement au voisinage du culot. Pour la sortie 5, il n’existe pas de sens d’évolution particulier pour le coefficient de traînée de refroidissement en fonction de l’inclinaison des ailettes en sortie et les valeurs varient peu.

L’augmentation de l’inclinaison des ailettes en entrée se caractérise par une diminution des niveaux de traînée de refroidissement. Ce résultat est en accord avec l’étude de Chometon et Gilliéron [CHO-96] qui montrent que la traînée aérodynamique d’un véhicule de type culot droit diminue avec la réduction de l’ouverture du circuit de refroidissement. En effet, plus les ailettes sont inclinées dans la section d’entrée du compartiment moteur, plus la section de passage du fluide est réduite. L’ouverture du circuit de refroidissement est alors plus faible et tend à s’approcher de la configuration pour laquelle les sections d’entrée et de sortie du compartiment moteur sont fermées. L’augmentation de l’inclinaison des ailettes en entrée suggère également une diminution du débit à travers le compartiment moteur. Cet aspect n’est pas traité dans ce chapitre mais dans le Chapitre III.5 – Estimation du débit à travers le compartiment moteur.

La position de la section de sortie influence de manière importante le niveau de traînée de refroidissement.

La sortie 3 entraîne les traînées de refroidissement les plus élevées, les sorties 1 et 2 donnent des valeurs de traînée de refroidissement plus faibles et de même ordre de grandeur, et les sorties 4 et 5, situées au culot, engendrent les traînées de refroidissement les plus faibles. De manière générale, les sorties placées au culot sont plus favorables à une faible traînée de refroidissement que les sorties placées au niveau du soubassement. Ce résultat rejoint les conclusions d’Ohshima et al., Barnard et Ivanić et Gilliéron ([OHS-97], [BAR-00], [IVA-05]). Il existe également des disparités entre des sorties placées dans la même zone de la maquette (soubassement ou culot). Par exemple, la traînée de refroidissement peut être doublée entre l’utilisation des sorties 1 & 2 et l’utilisation de la sortie 3.

Pour les sorties placées au niveau du soubassement de la maquette (sorties 1, 2 et 3), la plus faible valeur de la traînée de refroidissement est toujours obtenue avec une inclinaison de 50° dans la section de sortie du compartiment moteur. Avec cette inclinaison, l’écoulement qui sort du compartiment moteur reste plus proche de la paroi du soubassement et s’écoule dans la même direction que l’écoulement de soubassement.

La perte de charge associée à l’interaction entre ces deux écoulements est alors moindre qu’avec une faible inclinaison des ailettes et peut expliquer la réduction de traînée. Les mesures de vitesse de l’écoulement, présentées dans le Chapitre III.4 - Visualisation de l’écoulement autour de la maquette simplifiée, seront utilisées pour étayer cette hypothèse.

Chapitre III.3 - Traînée aérodynamique et pression statique au culot

Ailettes inclinées de 0° en entrée

-0.02

Ailettes inclinées de 10° en entrée

-0.02

Ailettes inclinées de 20° en entrée

-0.02

Ailettes inclinées de 40° en entrée

-0.02

Ailettes inclinées de 50° en entrée

-0.02

Figure III-14: Valeurs du coefficient de traînée de refroidissement C_x(refroidissement) en fonction de l’inclinaison des ailettes dans la section de sortie pour les différentes inclinaisons des ailettes dans la section d’entrée du compartiment moteur de la maquette

simplifiée.

valeur négative de C_x(refroidissement)

Chapitre III.3 - Traînée aérodynamique et pression statique au culot

Pour la sortie 4, placée au bas du culot, la plus faible valeur de traînée de refroidissement est toujours obtenue avec une inclinaison de 10° des ailettes dans la section de sortie du compartiment moteur. Dans ce cas, il semble que les phénomènes d’interaction entre l’écoulement qui sort du compartiment moteur et la structure de sillage soient directement responsables des configurations favorables et défavorables à une faible traînée de refroidissement. Pour la sortie 5, située au milieu du culot, ces phénomènes d’interaction semblent avoir une influence moindre sur la traînée de refroidissement qui varie peu. Les faibles inclinaisons sont tout de même à favoriser dans cette section de sortie puisqu’elles permettent de diriger l’écoulement qui sort du compartiment dans la direction de l’écoulement incident.

A partir des mesures de la traînée de refroidissement, il est possible d’évaluer la contribution du compartiment moteur dans la traînée totale de la maquette.

3.1.2. Contribution du compartiment moteur dans la traînée totale

La contribution du compartiment moteur dans la traînée totale de la maquette se définit comme la contribution du coefficient de traînée de refroidissement dans le coefficient de traînée de la maquette dont les sections d’entrée et de sortie sont ouvertes. Les valeurs sont présentées sur la Figure III-15 pour les différentes inclinaisons des ailettes dans les sections d’entrée et de sortie.

La hiérarchie mise en évidence pour les valeurs de traînée de refroidissement est ici retrouvée pour la contribution du compartiment moteur dans la traînée totale : la sortie 3 engendre les valeurs les plus élevées, puis les sorties 1 & 2 et finalement les sorties 4 & 5. En effet, pour la sortie 3, placée au niveau du soubassement juste en amont du culot de la maquette, la contribution de la traînée de refroidissement dans la traînée totale est toujours supérieure à 14%. Pour les sorties 1 et 2, également placées dans le soubassement, elle est comprise entre 7% et 14%. Pour la sortie 4, située au bas du culot, elle est inférieure à 7% et pour la sortie 5 elle est inférieure à 4%

Dans la littérature, ([HUC-78], [WIL-85], [CAR-95]), la traînée de refroidissement des véhicules réels représente généralement entre 5 et 10% de la traînée totale. A ce titre, les sorties 1 et 2 de la maquette simplifiée sont les plus représentatives des ordres de grandeur obtenus sur des véhicules réels. Les positions de ces sorties correspondent également aux architectures usuelles des véhicules (voir Figure III-1).

Les résultats présentés ici fournissent tout de même des ébauches de solutions pour réduire la contribution du compartiment moteur dans la traînée totale. Tout d’abord, placer la sortie du compartiment moteur à l’arrière des véhicules permet de limiter cette contribution. Il est ensuite possible d’optimiser la position de la sortie d’air de manière à minimiser la contribution de la traînée de refroidissement dans la traînée totale.

L’utilisation de la sortie 5 au milieu du culot de la maquette simplifiée permet par exemple de restreindre cette contribution à une valeur moyenne de 2%. Bien qu’elle ne corresponde pas aux géométries usuelles des véhicules, ce type de configuration peut être envisagé dans le cas où le moteur est placé à l’arrière des véhicules. C’est par exemple le cas des petits véhicules à culot droit de type Mercedes Smart.

Comme il a été indiqué précédemment, les mesures de traînée rejoignent les résultats trouvés dans la littérature ([IVA-05], [BAR-00], [OHS-97]) : une sortie placée à l’arrière de la maquette est plus favorable à une faible traînée de refroidissement qu’une sortie placée sous la maquette. Cependant, ces variations de traînée sont peu analysées et aucune étude ne s’intéresse aux écarts de traînée entre des sorties situées dans la même zone de la maquette (soubassement ou culot). Cette problématique est étudiée au moyen des sorties 1, 2 et 3 pour le soubassement, et au moyen des sorties 4 et 5 pour le culot. L’acquisition des champs de vitesse au niveau des sections de sortie et du sillage de la maquette, dans des plans longitudinaux et transversaux, aide à la compréhension des phénomènes responsables des variations de traînée de refroidissement mesurées expérimentalement. Ces mesures de vitesse sont présentées dans le Chapitre III.4 - Visualisation de l’écoulement autour de la maquette simplifiée.

Chapitre III.3 - Traînée aérodynamique et pression statique au culot

Ailettes inclinées de 0° en entrée

-5% contribution de Cx(refroidissement) dans la traînée totale

sortie 1 sortie 2 sortie 3 sortie 4 sortie 5

Ailettes inclinées de 10° en entrée

-5% contribution de Cx(refroidissement) dans la traînée totale

sortie 1 sortie 2 sortie 3 sortie 4 sortie 5

Ailettes inclinées de 20° en entrée

-5% contribution de Cx(refroidissement) dans la traînée totale

sortie 1 sortie 2 sortie 3 sortie 4 sortie 5

Ailettes inclinées de 40° en entrée

-5% contribution de Cx(refroidissement) dans la traînée totale

sortie 1 sortie 2 sortie 3 sortie 4 sortie 5

Ailettes inclinées de 50° en entrée

-5% contribution de Cx(refroidissement) dans la traînée totale

sortie 1 sortie 2 sortie 3 sortie 4 sortie 5

Figure III-15 : Contribution de la traînée de refroidissement dans la traînée totale de la maquette simplifiée en fonction de l’inclinaison des ailettes en sortie pour les différentes inclinaisons des ailettes en entrée du compartiment moteur.

valeur négative de C_x(refroidissement)

Chapitre III.3 - Traînée aérodynamique et pression statique au culot

L’analyse des coefficients de traînée de refroidissement permet de limiter le nombre de configurations à étudier dans la suite. Tout d’abord, la sortie 1 donnant les mêmes niveaux de traînée que la sortie 2, celle-ci n’est pas retenue. Ensuite, puisque l’évolution de la traînée est similaire pour toutes les inclinaisons des ailettes testées en entrée, seuls trois inclinaisons sont conservés en entrée : 0°, 20° et 40°. Enfin, seuls deux inclinaisons sont étudiés en sortie : 10° et 40°. Ces angles engendrent les valeurs minimale et maximale de traînée de refroidissement pour la sortie 4. Cette sortie fournit, avec la sortie 5, les valeurs de traînée de refroidissement les plus faibles. La restriction des inclinaisons en sortie n’est pas effectuée sur la base de la sortie 5 qui engendre les plus faibles traînée de refroidissement car aucune inclinaison particulière ne peut être dégagée lors de l’utilisation de cette sortie.

Dans la littérature, la valeur de la traînée aérodynamique est directement reliée aux forces de frottement et de pression qui s’exercent sur la géométrie [AHM-84]. Le paragraphe suivant présente les mesures de pression statique au culot de la maquette simplifiée du compartiment moteur.