Système d’actionnement

L’actionnement est assuré par des électrovannes (EVs) pneumatiques haute fréquence permettant de générer des jets d’air sur tout le pourtour du culot de la maquette. On utilise des électrovannes haute fréquence de type SX11-AJ de SMC avec une fréquence maximale d’utilisation de l’ordre de 1 kHz. Les EVs sont constituées d’un canal d’accès, d’un électroaimant, d’un clapet métallique et d’un canal d’éjection, comme illustré en figure1.12. Le fonctionnement des EVs repose sur le déplacement d’un clapet métallique qui ouvre et ferme le passage de l’air sous pression. En particulier, la fermeture de chaque EV est assurée par un ressort pneumatique. Plus de détails sur le fonctionnement de ce type d’EVs peut être trouvé dans Xiang et al. (2010) et dans la documentation technique reportée en annexe A.3.

Les EVs ne peuvent pas fonctionner sans air sous pression car il faut assurer l’action du ressort pneumatique sur le clapet4, et, en pratique, la pression minimale d’utilisation dépend de la fréquence d’actionnement (0 < f < 1 kHz).

La maquette ActivROAD contient par conséquent un réservoir interne d’air sous pression régulé à une pression de consigne Pi par un correcteur PID (cf. figure1.10).

À la sortie de chaque EV, des tubulures en plastique flexible conduisent l’air sous pression vers deux diffuseurs débouchant sur les fentes d’éjection5. Ces diffuseurs ont été dimensionnés pour réaliser une transition à section constante (à savoir 40 mm2) entre les tubes et les fentes rectangulaires (voir figure 1.13). Ce dispositif permet d’obtenir des vitesses moyennes de jet proches de celle de l’écoulement du fluide autour de la maquette (maximum 45 m/s environ).

Les jets sont pilotés à partir de quatre signaux de commande 0 − 5 V de type TTL générés par un système de prototypage rapide MicrolabBox de dSpace. Chaque signal carré TTL pilote un côté de la maquette via un boîtier de commande alimentant identiquement les EVs du côté (cf. figure 1.14. Ce signal carré est défini par la loi de commande ou directement par les réglages de l’expérimentateur en fixant une fréquence d’actionnement

f et un rapport cyclique (RC ∈ [0, 1]).

4. La documentation technique du produit préconise une pression d’alimentation minimale de 0.25 MPa.

5. à l’exception de deux EVs situées à proximité des coins supérieur droit et inférieur gauche de la maquette

(a)

(b) (c)

(d)

Figure 1.13 – Illustrations de la forme des chambres de diffusion des jets et de leur intégration dans un quart de culot prototype de la maquette : (a) coupe d’un diffuseur placé au coin de la maquette (non utilisé pendant les essais) ; (b) vue d’un diffuseur semblable d’aprèsBideaux et al. (2011) ; (c) partie supérieure des diffuseurs du haut de la maquette montrant le développement de la forme de la chambre de diffusion jusqu’à une section rectangulaire ; (d) quart de culot prototype de la maquette montrant les fentes réparties sur le bord du culot.

Comme le même actionnement est imposé à chaque EV d’un côté, on dira par la suite qu’un côté est :

• activé lorsque les EVs alimentant les fentes lui étant associées sont actionnées ; • éteint lorsque le signal de commande des EVs est maintenu à 0 V.

Les boîtiers de commande délivrent un signal amplifié de 24 V et pilotent au maximum quatre EVs (cf. figure 1.14). Ils ont été développés au sein du Laboratoire Ampère afin d’exploiter les dynamiques élevées des EVs et tester des actionnements par jets pulsés à très haute fréquence. Chaque boîtier est équipé d’une mesure du courant permettant de vérifier le bon fonctionnement de la voie alimentant une EV.

La figure1.15montre un exemple de l’évolution du courant dans une EV en fonction du signal de commande TTL (0-5 V) pour deux fréquences d’actionnement (350 Hz et 1050 Hz) et présente deux régimes caractéristiques de fonctionnement :

• Lors de la commande d’ouverture (ON) (signal 5 V) :

– La tension de 24 V est appliquée à l’électroaimant durant to = 480 µs de façon à établir un courant élevé (∼ 1 A) et déclencher rapidement le déplacement du clapet métallique. Physiquement, l’apparition d’un point d’inflexion P I dans la caractéristique de l’intensité marque l’ouverture du clapet.

– Ensuite, un contrôle en intensité de 500 mA est imposé pour garantir l’ouverture de l’EV sans provoquer la surchauffe de l’électroaimant (phase de maintien tp) durant tout le temps restant pour lequel le signal vaut 5 V.

Section 2. Dispositif expérimental

Figure 1.14 – Schématisation de l’attribution de la commande aux EVs.

– La tension dans l’EV est rendue négative pour annuler le courant dans l’élec-troaimant le plus rapidement possible (phase de fermeture tc ∼ 120 µs) et fermer le clapet métallique. En raison de possible retard à la fermeture des EVs, les schémas de la figure 1.15présentent une période de soufflage effective plus longue que la période où I 6= 0 dans l’électroaimant.

Au cours d’un cycle, les durées nécessaires à l’ouverture totale de l’EV et à sa fermeture totale sont fixées par le type d’électrovanne utilisé. Ces contraintes définissent la limite maximale de fréquence applicable aux EV, à savoir 1050 Hz, ainsi que la gamme de variation du RC selon la fréquence d’actionnement (voir figure 1.15). Le régime de fonctionnement à f = 1050 Hz et RC = 0.5 s’est révélé satisfaisant expérimentalement, et sera largement utilisé dans la thèse. Cependant, cette fréquence est la limite d’utilisation des EVs, ce qui induit un comportement particulier des jets détaillé en section 3 du chapitre 2.

L’intégration de la maquette dans la veine d’essai nécessite de générer le moins de perturbations possible dans l’écoulement par les dispositifs de mesure et d’actionnement. De ce fait, les câbles des commandes des EVs, les tuyaux d’alimentation du réservoir interne et les câbles des signaux des capteurs de pression de la maquette transitent tous par les pieds de la maquette à travers le plancher aérodynamique, puis via une enceinte centrale profilée à travers le plancher de la soufflerie vers l’extérieur de la veine d’essai. Détails du contexte expérimental

Comme il a été présenté ici, le système expérimental utilisé lors de cette thèse est complexe et son accès est limité. En effet, malgré l’étroite collaboration des membres du projet ActivROAD, les équipes du laboratoire Ampère, basé à Lyon, et celles de l’Institut Pprime, basé à Poitiers ont pu seulement convenir de quelques accès à la

Figure 1.15 – Représentation de l’évolution du courant dans l’EV lors des cycles d’ouverture et de fermeture pour deux fréquences d’actionnement : 350 Hz, et 1050 Hz. Les hachures violettes représentent les phases de soufflage approximatives.

soufflerie de l’ENSMA à Poitiers. Ces accès étaient limités dans le temps et chaque nouvelle utilisation de la maquette ActivROAD nécessitait une période de montage et de démontage relativement importante.

Dans un premier temps, les études expérimentales ont exploré les capacités du système d’actionnement pour agir sur le sillage à l’arrière de la maquette pour spécifier les démarches de contrôle en boucle fermée offertes par l’actionnement à très haute fréquence (f ∼ 1 kHz). Durant le temps alloué aux essais, il n’était cependant pas possible de traiter l’entièreté des données au fur et à mesure. Ainsi, nous avons favorisé les cas de tests qui semblaient les plus pertinents aux cours de nos expérimentations. A posteriori, l’analyse complète des données recueillies montre des effets qu’il aurait été intéressant d’approfondir si le temps alloué aux expériences avait pu être étendu.

Cette thèse présente objectivement les cas les plus intéressants pour la résolution de ses problématiques. Elle appelle naturellement à des essais futurs qui puissent bénéficier de l’expérience récoltée au cours de nos travaux.

Section 2. Dispositif expérimental

Conclusion

Pour synthétiser cette partie, on peut dire que le contrôle de traînée des véhicules est un moyen pertinent de réduire la consommation énergétique des véhicules tout en conservant une forme adaptée à l’usage actuel des véhicules de transport. En effet, le contrôle passif seul ou le contrôle en boucle ouverte permettent d’ores et déjà de modifier la traînée de pression des véhicules. En revanche, ces approches gagnent à être complétées de méthodes plus robustes de contrôle de la traînée via des techniques en boucle fermée. Bien qu’applicable pour le cas du sillage des véhicules, le contrôle de traînée en boucle fermée se heurte au manque de modèle complet entre le sillage des véhicules, l’actionnement du fluide et la traînée aérodynamique.

Ce chapitre ouvre des perspectives de développement pour des méthodes de contrôle robustes et rentables de la traînée aérodynamique, mais aussi des verrous techniques importants :

• Peut-on utiliser les jets pulsés de la maquette ActivROAD à haute fréquence pour réduire la traînée ?

• Comment définir un modèle d’écoulement permettant de représenter les relations entre actionnement, sillage et traînée pour les véhicules routiers ?

• Comment adapter les stratégies de contrôle à appliquer en fonction des différences environnementales qui modifient ces relations ?

• Comment prendre en compte l’énergie nécessaire à l’actionnement dans le contrôle en vue de réaliser des gains énergétiques ?

La thèse permettra d’aborder ces différentes tâches au fil des chapitres suivants. Dans un premier temps, nous nous concentrons sur la compréhension de l’écoulement à l’arrière de la maquette à culot droit en vue d’établir un modèle physique des relations de la traînée à partir des équations de Navier-Stokes.

Modèle d’écoulement des couches de