Répartition de l’effort aérodynamique sur un véhicule

Sur un véhicule en mouvement, la distribution de l’effort aérodynamique est très variable le long de la carrosserie. L’effort aérodynamique d’un véhicule représente l’intégrale spatiale des efforts locaux sur toute la carrosserie. Si l’on souhaite comprendre et améliorer cette valeur, il est intéressant de considérer la contribution des différentes parties qui constituent le véhicule.

La Figure 1.15 montre des relevés de coefficient de pression effectués en soufflerie sur un véhicule de type notchback lors d’essais de caractérisation de mesure de la traînée [Hap]. Sept capteurs sont disposés sur le plan de symétrie du véhicule. Le point qui est le point de la pression d’arrêt représente bien un Cp=1, le capteur au point b montre une valeur négative qui s’explique par le décollement du flux d’air après l’impact sur la calandre, notons que, l’effort résultant en ce point est caractérisé par une portance négative (un appui) ainsi qu’une traînée négative (la dépression est motrice en X). Au point c, le coefficient de pression est à nouveau positif, signe que le fluide a recollé sur le capot en amont. Les points d et e sont en dépression, ce qui traduit le comportement de la zone de décollement après le pare-brise les efforts de portance sont positifs. Le point f en surpression est lieu du recollement du fluide sur le coffre, enfin le point g en dépression témoigne d’un effort la traînée résistant à l’avancement du véhicule.

Figure 1.15 – Distribution typique de pression autour d’un véhicule d’après Happian Smith selon des mesures effectuées en soufflerie - Source [Hap]

Des mesures sur la pression d’un véhicule permettent ainsi d’une part d’estimer la manière dont se distribue la résultante aérodynamique selon les zones du véhicule et d’autre part de renseigner le comportement du fluide en proche paroi.

Depuis 2012, l’université de Munich (TU Munchen) propose un modèle réunissant trois types de géométrie arrières [Hef12]. Ces modèles résultent de la fusion géométrique entre une BMW série 3 et une Audi A4, ils sont proposés en libre accès et complétés par des mesures expérimentales pour permettre de travailler sur la compréhension des phénomènes et des propositions de solutions de contrôle aérodynamique (Figure 1.16).

Figure 1.16 Déclinaisons du modèle DrivAer [Hef12]

Des mesures de coefficient de traînée et de pression sur le plan de symétrie montrent des disparités en fonction de la forme géométriques jusqu’à 20% (Cx) dans le cas de la géométrie de type Estate (Figure 1.16) [Hef12]. Il s’agit dans ce cas d’un modèle à l’échelle ¼, mais les mesures de pression dans le plan de symétrie montrent de fortes similarités avec les mesures de pression exposées dans le paragraphe précédent effectuées sur un véhicule type notchback (Figure 1.15). Des différences de valeurs de pressions apparaissent sur la partie arrière du modèle dans le plan de symétrie en fonction de la déclinaison géométrique considérée. La géométrie Estate se démarque notamment des deux autres par des valeurs de pressions plus stable le long de la carrosserie, mais engendrant un coefficient de pression plus élevé au global. (Tableau 1.1, Figure 1.17)

Figure 1.17 - Mesures expérimentales sur modèle DrivAer - En haut : Comparaisons de mesures de traînée sur maquette d'Audi A4, BMW série 3 et DrivAer - En bas : Mesure de coefficient de pression sur les déclinaisons du modèle DrivAer dans le plan de symétrie en partie supérieure (gauche) et inférieure (droite) [Hef12]

Afin d’expliquer ces disparités, il est nécessaire de considérer le détail des sources des pertes aérodynamiques autour de la carrosserie du véhicule. Des mesures de pression sur la lunette permettent de mettre en évidence des distributions de pression très différentes [Hef12]. Le Fastback montre des faibles pressions sur la partie extérieure de la lunette, et une remontée de la pression vers le centre bas. Le Notchback voit ses plus faibles pressions en partie supérieure de la lunette. A contrario, pour l’Estate, les faibles pressions se situent sur la partie inférieure de la lunette, et donc vers le centre du culot complet du véhicule. (Figure 1.18)

Figure 1.18 - Coefficient de pression sur la lunette arrière de chaque déclinaison du modèle DrivAer [Hef12]

Barnard et al. [Bar01] dressent une estimation des sources de pertes aérodynamiques sur un véhicule tri corps classique (Figure 1.19). Les efforts de pression représentent ici 33% de la traînée du véhicule. Les quatre roues sont responsables de plus du quart de la traînée (27%). Plusieurs phénomènes se développent à ce niveau du fait de la rotation des pneus et de l’environnement confiné que représente l’enveloppe de roue. La traînée de refroidissement représente l’effort induit par l’air qui entre dans la zone du moteur du véhicule pour le refroidissement de ce dernier ou des organes de freinage. Elle est estimée à 13% de l’effort de la traînée totale. Enfin un dernier quart (27%) est attribué au soubassement du véhicule, aux frottements et aux appendices tels que les rétroviseurs. La zone de soubassement peut-être tortueuse selon les modèles. La sortie de pot d’échappement, roue de secours, passage de pont du plancher, boite à urée peuvent être responsables de nombreux décollements locaux et de dépressions néfastes à la traînée. Enfin, dans ce cas d’étude, la zone de la lunette du véhicule, au niveau où les décollements entre le pavillon et les deux parties latérales du véhicule se rejoignent, est le siège de grosses structures tourbillonnaires longitudinales très stables. Cela se traduit par de fortes pertes de pression du fluide à proximité de la paroi. Ces deux tourbillons longitudinaux peuvent être à eux seuls responsables de 3% de la traînée totale.

Figure 1.19 - Contribution de différents facteurs à la traînée d'un véhicule [Bar01]

D’autres études décrivent la distribution spatiale des sources de la traînée. La Figure 1.20 montre sur un véhicule PSA 407 (nochtback également) cette répartition. Les zones de pertes de traînée principales sont la partie arrière du véhicule qui représente 30% de la traînée, les roues 15% et la zone de soubassement 30%.

Figure 1.20 - Répartition des pertes de SCx [Lec08]

Les sources de la traînée d’un véhicule sont ainsi multiples et très variables selon le segment considéré : SUV, break, monospace, véhicule utilitaire, citadines. Des estimations et des mesures précises peuvent être faites pour chaque type de véhicule afin d’identifier les zones critiques. Cependant nous retiendrons que les efforts de pression sont dominants dans la contribution à la traînée, et que les zones de perte principales sont situées à l’arrière et dans le soubassement du véhicule

Notons que la majeure partie des études effectuées entre les années 70 et fin 90 décrivaient des écoulements autour de véhicules à lunette inclinée afin de correspondre à un état du marché des ventes de cette période. Depuis les années 2000, la part des véhicules sur le marché présentant un culot droit a fortement augmenté avec l’apparition des monospaces, des SUV et le regain de popularité des breaks. Un grand intérêt est donc porté à ce type de géométries. Les travaux présentés dans ce document traitent du culot droit autour de la géométrie du corps de Ahmed.