P RESENTATION ET CARACTERISTIQUES DE BASE

Morel [29] fut parmi les premiers à s’intéresser aux écoulements de culot caractéristiques des automobiles. Il mit notamment en évidence l’importance de l’angle entre le « toit » du corps (appelé pavillon dans le domaine automobile), et la pente du coffre (désignée sous le nom de lunette). Quelques années plus tard, Ahmed et al. [33] s’appuyèrent sur ses travaux et proposèrent une géométrie simple, permettant de reproduire les principales caractéristiques d’un écoulement d’arrière corps automobile, mais surtout d’étudier facilement l’influence de l’angle de lunette. La définition originale de ce corps est présentée Figure 24.

Figure 24 : Géométrie initiale du corps de Ahmed (d'après Ahmed et al. [33])

De par son aspect très dépouillé, ce corps rentre dans la catégorie des corps simples (aucun appendice, pas de roue…). Cependant, ses proportions se rapprochent d’une automobile classique, et ses dimensions correspondent approximativement à une automobile échelle ¼. La Figure 24 ne l’indique pas, mais la maquette est fixée à environ 50 mm d’un sol fixe. Rapportée à l’échelle, cette valeur est également de l’ordre de grandeur d’une garde au sol d’automobile de série.

Ce corps est doté d’un avant massif, provoquant un gros déplacement 3D de l’écoulement, mais arrondi afin de limiter les décollements et autres perturbations produites sur cette partie amont. Des décollements se produisent néanmoins pour des écoulements à faibles Reynolds et faiblement turbulents (voir Spohn et Gilliéron [34] en expérimental, ou Minguez et al. [35] et Krajnovic et Davidson [36,37] en numérique) sur la périphérie de la partie frontale du corps au

des parois latérales permet cependant d’atténuer l’impact des décollements amont sur l’écoulement se développant sur la partie arrière. Celle-ci est constituée par une brusque rupture de pente évoquant grossièrement un arrière automobile, avec une lunette inclinée et un culot droit. L’angle de la lunette, noté α sur la Figure 24, peut alors varier entre 0° et 40°. On note également que la longueur de la lunette et la hauteur du culot varient avec l’angle α.

Bien que cette géométrie date de presque 30 ans, elle reste toujours très utilisée en aérodynamique automobile, où elle a presque le statut de « corps étalon ». Elle est souvent utilisée dans sa définition de référence, à différentes échelles. Les échelles 0.25 (1/4) et 0.18 sont les plus courantes mais elles peuvent aller de 0,07 (par exemple pour Spohn et Gilliéron [34] en canal hydraulique), à l’échelle d’une automobile réelle (soit échelle 1). Des configurations originales (totalement arrondie, voir Aider et al. [23]) ou des usages sans rapport avec la vocation initiale de la maquette (refroidissement de baie moteur par exemple, voir D’Hondt et al. [38]) sont également rencontrés. La majorité des études se concentrent cependant sur l’influence de l’angle α, et sur les différentes topologies d’écoulement qui en résultent.

L’angle α de la lunette influence en effet énormément la structure de l’écoulement dans le sillage du corps de Ahmed, de même que la valeur de trainée résultante. La Figure 25 présente l’évolution du coefficient de trainée ainsi que la contribution des différentes surfaces en fonction de l’angle α. Trois topologies types sont également représentées.

La première constatation est que quel que soit l’angle, la somme des contributions de la lunette CS et du culot CB est majoritaire (75 à 85% de la trainée totale) et conditionne l’évolution de la trainée totale. La trainée du corps de Ahmed est donc principalement produite par la trainée de pression liée à l’écoulement en aval de la lunette.

La Figure 25 permet également d’apprécier l’influence de l’angle de lunette sur le poids relatif de la lunette et du culot sur la trainée. Entre 0° et 12.5° le CX évolue peu, passant de 0.250 à 0.230 avec une contribution majoritaire du culot. L’écoulement est en effet de type « culot droit », avec un décollement massif depuis le bas de la lunette et sur le contour du culot. Entre 12.5° et 30°, le CX croit d’une manière importante liée à la contribution croissante de la trainée de lunette avec l’angle α. Cette croissance coïncide avec l’apparition d’un décollement partiel depuis le haut de la lunette dont la taille augmente avec l’angle α. A 30°, une modification brutale survient : l’écoulement décolle complétement, pour adopter une topologie similaire à celle trouvée entre 0° et 12.5°. L’écoulement est de nouveau de type culot, produisant des valeurs de CX proches de celles mesurées aux faibles angles de lunette.

L’apparition du décollement partiel entre 12.5° et 30° explique en partie l’évolution singulière de la trainée, la zone de faible pression sous le décollement contribuant directement à une augmentation de la trainée. Cependant, ainsi que l’indiquent Ahmed et al. [33], l’évolution de la trainée est trop brusque pour être uniquement causée par le bulbe décollé. Ainsi que le schématise la Figure 26, l’apparition de cette bulle de décollement sur la lunette va en effet causer une dépression qui va attirer le fluide provenant des flancs du corps. Ce fluide va s’enrouler sur lui-même et créer deux puissants tourbillons longitudinaux similaires à ceux observés en bouts d’ailes. L’énergie dépensée à entretenir ces structures contribue alors défavorablement à la trainée.

Figure 25 : Evolution de la trainée et de la topologie d'écoulement associée en fonction de l'angle de lunette (d'après Ahmed et al. [33] et Gilliéron [39])

Ce lien entre le bulbe décollé et les tourbillons longitudinaux explique également la chute brutale à 30°. Passé cet angle, l’écoulement ne peut plus recoller avant la fin de la lunette : le décollement est donc massif, interdisant la formation des structures tourbillonnaires longitudinales.

Dans le cadre de ce travail, un intérêt particulier a été porté à la configuration 25°. Cette configuration est en effet caractérisée par un coefficient de trainée élevé et un écoulement arrière présentant un décollement partiel important et deux structures tourbillonnaires longitudinales. Dans l’optique d’une étude sur le contrôle du sillage et la réduction de la trainée, il s’agit donc d’une configuration avec un potentiel de réduction de trainée important. Le corps de Ahmed à 25° a également l’avantage d’être très bien documenté, aussi bien numériquement qu’expérimentalement.

Figure 26 : Principe de formation des tourbillons longitudinaux (d'après Lienhart et Becker [40])