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THESE

Présentée pour obtenir le titre de

DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE École doctorale : Transferts, Dynamique des Fluides, Energétique & Procédés

Spécialité : DYNAMIQUE DES FLUIDES

REDUCTION DE LA TRAINEE D'UN VEHICULE AUTOMOBILE SIMPLIFIE A

L'AIDE DU CONTROLE ACTIF PAR JET SYNTHETIQUE

Par

Cédric LECLERC

Soutenue le 11 Janvier 2008 à l'Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse devant le jury composé de :

MM. Philippe DEVINANT Président

MME. Eugénie LEVALLOIS Tutrice industrielle de Thèse

MM. Azeddine KOURTA. Directeur de thèse

Sédat TARDU Rapporteur

Charles-Henri BRUNEAU Rapporteur

Henri-Claude BOISSON Membre

Patrick GILLIERON Membre

Philippe PERNOD Membre

Remerciements

Réduction de la traînée d'un véhicule automobile simplifié à l'aide du contrôle actif par jet synthétique 3

Remerciements

J'ai attendu tout au long de la thèse la rédaction de cette dernière page qui en marquerait la fin. En réalité,

j'ai eu beaucoup de mal à rédiger cette page et clore définitivement cette étude. Je me lance donc :

Mes remerciements s'adressent tout d'abord à l'ensemble de l'équipe de chercheurs qui m'a entouré tout au

long de ces trois années, avec en première ligne Azeddine KOURTA, mon directeur de thèse, qui a tout fait

pour que les règles du jeu de cette thèse CIFRE soient respectées, et qui a également animé tel un chef

d'orchestre le Groupe De Recherche "Contrôle des Décollements", dont je remercie les acteurs.

Je remercie ensuite l'ensemble des personnes extérieures à l'entreprise qui ont contribué d'une manière ou

d'une autre à l'obtention de résultats au cours de ces trois années : L'équipe d'EXA

France, l'équipe du LME

d'Orléans, et l'équipe de R&D Vision avec particulièrement Arnaud SUSSET.

Je remercie également l'ensemble du service "Systèmes Véhicules" de la DTAA, en commençant par le

grand chef, François Chauveau, incollable sur les innovations techniques automobiles d'hier, d'aujourd'hui et

de demain... Je remercie ensuite les acteurs des sections parallèles à la nôtre, les délires quotidiens de la

"Liaison au Sol" ont mis l'ambiance sur le plateau et l'"Acoustique" et en particulier l'équipe "Aéro-

Acoustique" pour leur aide et remarques constructives.

Passons maintenant à la section "Aérodynamique et Mécanique des Fluides" chapotée par Patrick

GILLIERON. Comment remercier correctement toute cette petite équipe ?

Je commence donc par remercier les thésards, du passé, Mathieu ROUMEAS et Benjamin LEHUGEUR, qui

n'ont de monotone que la technique de contrôle qu'ils ont étudiée. Merci à tous les deux pour m'avoir plongé

dans le bain et sorti la tête de l'eau quand il le fallait (dans le Castro de SFO et à la piscine de Notre Dame

des Champs). Je remercie également les thésards du présent, Marion D'HONDT et Kevin NJIFENJU qui

m'ont fait comprendre qu'il était temps de passer à autre chose et à qui je souhaite plein de choses.

Merci également aux experts techniques (à qui on pourrait également dédier une série TV), Pierre

BOBILLIER et Pierre-Emmanuel JARDY, qui ont pris Matlab (ou autre logiciels de post-traitement) comme

première langue, et "Papi" LEROY maniant aussi bien la chignole de nos arrières grand-père que la Freebox

de nos arrières petits enfants.

Une petite dédicace à Tanja IVANIC, capable à la fois de tenir le rôle de James Bond Girl au bras de G.C. et

le change aux plus grands spécialistes des méthodes numériques fluides.

Enfin, je remercie tout particulièrement la "Synthetic Jet Team", composée de Quentin GALLAS, dans le

rôle du scientifique, et Eugénie LEVALLOIS, dans celui de la politicienne. Sans ces deux amateurs de

fromage, de bon vin et de Welsch, ce travail de thèse n'aurait jamais abouti... en l'état. Toute ma gratitude va

à Eugénie, ma tutrice et en quelque sorte "marraine" industrielle, qui m'a donnée l'opportunité d'intégrer

l'équipe, de partager et d'assouvir cette passion pour l'automobile. Merci pour cette aventure !!!

Remerciements

Réduction de la traînée d'un véhicule automobile simplifié à l'aide du contrôle actif par jet synthétique 4

Je souhaite également remercier toute ma famille, belle-famille et assimilés (M&M's) pour leur soutien et

leur confiance. Près de 40 mois avant d'avoir la fin d'une histoire, c'est long...

Enfin, mes plus sincères remerciements sont pour ZEZETTE, ma fiancée au début de l'histoire, puis ma

femme peu de temps après et très prochainement la mère d'une "t'chote biloute" pas plus grande que ça.

Merci d'avoir accepté ces longs moments d'autisme sans jamais "tilter", de faire que les bas soient

anecdotiques et que les hauts soient toujours au top.

Pour moi, l'aventure s'arrête ici... Pour ceux qui se plongent dans le manuscrit, l'histoire commence...

donc bonne lecture et n'hésitez pas à me faire part de vos remarques (leclerc.cedric@gmail.com)...

Table des matières

Réduction de la traînée d'un véhicule automobile simplifié à l'aide du contrôle actif par jet synthétique 5

Table des matières

Table des matières........................................................................ Nomenclature ........................................................................

PARTIE I - Introduction générale ........................................................................

.........................13

1.1. La planète se réchauffe !........................................................................

1.2. L'engagement de l'industrie automobile ........................................................................

.............................15

1.3. Environnement et objectif de la thèse........................................................................

.................................18

1.4. Organisation du document........................................................................

PARTIE II - éléments bibliographiques........................................................................

................21

Chapitre II.1 - Éléments d'aérodynamique automobile........................................................................

.24

1.1. Quelques rappels des définitions........................................................................

1.2. Les origines de la traînée aérodynamique........................................................................

...........................27

1.3. Le corps de Ahmed : Un bicorps automobile simplifié..............................................................................29

Chapitre II.2 - Le jet synthétique en première approche.......................................................................36

2.1. Principe du jet synthétique ........................................................................

2.2. Les domaines d'application du jet synthétique ........................................................................

...................38

2.3. Les différents actionneurs de jet synthétique........................................................................

......................40

2.4. Conclusion : intérêts et difficultés........................................................................

......................................42

Chapitre II.3 - Précisions sur l'écoulement de jet synthétique..............................................................43

3.1. La nomenclature du jet synthétique........................................................................

....................................43

3.2. Les grandeurs caractéristiques........................................................................

3.3. Topologie de l'écoulement de jet synthétique........................................................................

.....................50

3.4. Influence de la géométrie de l'actionneur........................................................................

...........................56

3.5. Synthèse........................................................................

Chapitre II.4 - Le jet synthétique en interaction........................................................................

............61

4.1. Contrôle des écoulements décollés........................................................................

.....................................61

4.2. L'orientation d'un écoulement........................................................................

4.3. Interaction entre deux jets synthétiques........................................................................

..............................75

Chapitre II.5 - Les perspectives d'application automobile.....................................................................78

PARTIE III - Exploration numérique du potentiel de contrôle par jet synthétique.................81

Chapitre III.1 - Modélisation numérique du problème........................................................................

..84

1.1. Mise en place de la simulation..................................................................

Table des matières

Réduction de la traînée d'un véhicule automobile simplifié à l'aide du contrôle actif par jet synthétique 6

1.2. Les conditions aux limites........................................................................

1.3. Le maillage........................................................................

1.4. Les temps caractéristiques........................................................................

1.5. Définitions des grandeurs utilisées pour l'analyse........................................................................

..............91

Chapitre III.2 - Exploration numérique sur une géométrie simplifiée bidimensionnelle....................95

2.1. L'écoulement sans contrôle........................................................................

2.2. L'écoulement moyen avec contrôle ........................................................................

....................................99

2.3. L'écoulement instationnaire avec contrôle pour

W F =0.7........................................................................ ..106

2.4. Conclusion de l'étude bidimensionnelle ........................................................................

...........................125

Chapitre III.3 - Exploration numérique sur une géométrie simplifiée tridimensionnelle .................127

3.1. Caractérisation de l'écoulement de sillage sans contrôle..........................................................................127

3.2. Validation de l'efficacité du contrôle par jet synthétique sur une géométrie tridimensionnelle ...............144

3.3. Conclusion de l'étude numérique du contrôle des écoulements sur une géométrie simplifiée

164

PARTIE IV - Exploration expérimentale du potentiel de contrôle par jet synthétique..........167

Chapitre IV.1 - Dispositif expérimental........................................................................

........................170

1.1. Equipements........................................................................

1.2. Les moyens de mesures expérimentaux...................................................................

.................................174

1.3. Conclusion........................................................................

Chapitre IV.2 - Caractérisation de l'actionneur et de l'écoulement de jet synthétique......................185

2.1. L'actionneur de jet synthétique développé........................................................................

........................185

2.2. Caractérisation expérimentale de la réponse dynamique de l'actionneur..................................................187

2.3. Evolution temporelle de l'écoulement de jet synthétique seul..................................................................190

2.4. Distribution spatiale de l'écoulement de jet synthétique...........................................................................193

2.5. Conclusion de la caractérisation du jet synthétique seul...........................................................................195

Chapitre IV.3 - Caractérisation de l'écoulement sans contrôle...........................................................196

3.1. Caractérisation du bulbe décollé de lunette arrière...................................................................................196

3.2. Caractérisation de la structure tourbillonnaire torique de culot................................................................206

3.3. Caractérisation des structures tourbillonnaires longitudinales..................................................................213

3.4. Caractérisation de la traînée aérodynamique........................................................................

....................217

3.5. Conclusion de l'étude expérimentale de l'écoulement sans contrôle.........................................................220

Chapitre IV.4 - Caractérisation de l'écoulement aérodynamique contrôlé.........................................222

4.1. Validation du potentiel aérodynamique du contrôle........................................................................

.........222

4.2. Caractérisation stationnaire des effets du contrôle ...................................................................................228

4.3. Caractérisation fréquentielle de l'écoulement contrôlé.............................................................................245

4.4. Caractérisation des mécanismes du contrôle par jet synthétique en synchronisation de phase ................252

4.5. Conclusion de l'étude expérimentale de l'écoulement contrôlé par jet synthétique..................................259

Table des matières

Réduction de la traînée d'un véhicule automobile simplifié à l'aide du contrôle actif par jet synthétique 7

PARTIE V - Rappel des principaux résultats de la thèse et Perspectives d'application

1.1. Rappel des principaux résultats de la thèse ........................................................................

......................265

1.2. Perspectives d'application automobile........................................................................

.............................267 ANNEXES ........................................................................ ..........................Erreur ! Signet non défini. Annexe A - Le code de calcul........................................................................

A.1. Présentation du code de calcul........................................................................

Annexe B - Mise en oeuvre de la PIV et traitement des images ..........................................................279

B.1. Principe de la PIV 2D2C (2 dimensions, 2 composantes) .......................................................................279

B.2. Mise en oeuvre des mesures ........................................................................

B.3. Le traitement des images ........................................................................

Annexe C - Mise en oeuvre de l'anémométrie au fil chaud.................................................................289

C.1. Principe de la technique de mesure........................................................................

..................................289

C.2. Mesure de la vitesse maximale de soufflage de l'actionneur de jet synthétique.......................................290

C.3. Caractérisation fréquentielle de l'écoulement aérodynamique de sillage.................................................292

Annexe D - Complément sur l'actionneur de jet synthétique seul ......................................................294

D.1. Le principe du "Lumped Element Modeling" (LEM)........................................................................

......294

D.2. Complément sur les performances aérodynamiques de l'actionneur .......................................................297

D.3. Capitalisation des performances aérodynamiques de l'actionneur...........................................................299

Annexe E - Influence du montage de l'actionneur sur la topologie de l'écoulement sans contrôle.304

E.1. Précision sur l'évolution des coefficients de pression statique.................................................................304

Table des figures ........................................................................ Table des tables........................................................................

Nomenclature

Réduction de la traînée d'un véhicule automobile simplifié à l'aide du contrôle actif par jet synthétique 8

Nomenclature

A Point d'application de la résultante des efforts aérodynamiques A(t) Signal en tension envoyé aux membranes piézoélectriques A 0 Tension maximale envoyée aux membranes piézoélectriques [V] b(z j ) Largeur de l'écoulement de jet synthétique à la hauteur z j [m] c 0

Célérité du son dans l'air [m.s

-1 C l

Coefficient de roulis au point G

C m

Coefficient de tangage au point G

C n

Coefficient de lacet au point G

C p

Coefficient de pression statique

C pi

Coefficient de perte d'énergie volumique

C x

Coefficient de traînée aérodynamique

0 x C Contribution de la pression sur l'avant du corps de Ahmed à la traînée totale 2 x C Contribution de la pression sur la lunette arrière à la traînée totale 3 x C Contribution de la pression sur le culot à la traînée totale f x C Contribution du frottement à la traînée totale C y

Coefficient de dérive aérodynamique

C z

Coefficient de portance aérodynamique

C Coefficient de quantité de mouvement du jet synthétique d Largeur de la fente dans le cas d'un actionneur bidimensionnel ou diamètre de l'orifice dans le cas d'un actionneur axisymétrique [m]

D Bulbe décollé de lunette arrière

D V Distance qui sépare le centre des structures tourbillonnaires en sortie d'actionneur [m] E k Energie cinétique turbulente calculée par intégration du spectre [m 2 .s -2 f cam

Fréquence d'acquisition de la caméra [Hz]

f d Fréquence naturelle de résonance des membranes piézoélectriques [Hz] f h Fréquence naturelle de résonance du résonateur d'Helmholtz formé par la cavité de l'actionneur [Hz] f i Fréquence d'acquisition des résultats instationnaires [Hz] f j

Fréquence d'excitation du JS [Hz]

f m Fréquence de modulation d'amplitude du signal A(t) [Hz] f s Fréquence d'acquisition des résultats instationnaires au niveau des sondes numériques [Hz] F Point singulier de type "foyer" des lignes de frottement a F

Résultante des efforts aérodynamiques

Nomenclature

Réduction de la traînée d'un véhicule automobile simplifié à l'aide du contrôle actif par jet synthétique 9

f F

Résultante des efforts visqueux et turbulents

H F Fréquence réduite du jet synthétique construite à partir du temps caractéristique de formation des structures tourbillonnaires de Kelvin-Helmohltz p F

Résultante des efforts de pression

W F Fréquence réduite du jet synthétique construite à partir du temps caractéristique de formation des structures tourbillonnaires de Von Karman F x

Effort de traînée aérodynamique [N]

F y

Effort de dérive aérodynamique [N]

F z

Effort de portance aérodynamique [N]

G Centre de gravité du véhicule

h Epaisseur de l'orifice ou de la fente de l'actionneur de JS [m]

H Facteur de forme

H A

Hauteur du corps de Ahmed [m]

H f

Hauteur de la veine numérique [m]

H s

Garde au sol [m]

H 3

Hauteur du culot [m]

j I Quantité de mouvement du JS intégrée sur la surface Ȉ j [kg.m.s -2 I k Intensité turbulente calculée par intégration du spectre I O Quantité de mouvement du JS évaluée au centre de l'orifice [kg.m.s -2 I Quantité de mouvement liée au déplacement de la géométrie [kg.m.s -2 k Energie cinétique turbulente calculée à partir des fluctuations de vitesse [m 2 .s -2 l A Largeur du corps de Ahmed (=0.389 m, échelle 0.7 = 0.272 m) l f

Largeur de la veine numérique

l 2 Longueur de la lunette arrière (=0.222 m, échelle 0.7 = 0.155 m)

L Longueur du véhicule [m]

L A

Longueur du corps de Ahmed [m]

L f

Longueur de la veine numérique [m]

L r Longueur du bulbe de recirculation dans le cas du domaine d'interaction stationnaire entre l'écoulement transverse et l'écoulement de JS [m] L 0 Longueur de pénétration de l'écoulement de jet synthétique [m] GM a Moment aérodynamique transporté au centre de gravité Mquotesdbs_dbs19.pdfusesText_25

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