Les outils de conception. 1. Comparaison aérodynamique aéronautique/automobile 2. Les outils expérimentaux 3. Les outils numériques

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1 Les outils de conception 1 1. Comparaison aérodynamique aéronautique/automobile 2. Les outils expérimentaux 3. Les outils numériques

2 Aérodynamique automobile/aéronautique 2 L Aérodynamique automobile est historiquement expérimentale La simulation a démarré plus tard que dans le domaine aéronautique (sérieusement au début des années 90) : Aéronautique : Automobile : - pas ou peu de décollement - forts décollements - grandes vitesses (Euler) - faible vitesse, fort nbre de Reynolds - loin du sol - effet de sol important - géométrie «simple» - géométrie plus complexe -possibilité d étude 2D - tout est 3D - Situations de vie variées - Peu de situations différentes de vie Le développement des méthodes numériques, des modèles de turbulence et des ordinateurs permet depuis peu d utiliser la simulation en développement Elle est nécessaire pour réduire à nouveau les cycles de développement

3 3 Les outils d étude Expérimentaux : Souffleries Moyens de mesure Numériques : Différentes approches

4 4 Evaluation du SCx Essais sur route A partir de la vitesse maximum du véhicule Par mesure de la décélération Soufflerie Pesée aérodynamique Mesure des caractéristiques de l écoulements Simulation numérique Intégration des efforts (pression + frottement) sur le véhicule Intégration des pertes d énergie

5 La traînée : détermination du SCx par la méthode de Vmax 5 À V=cte, P utile = P pneu + P aéro On a donc : SCx=2(P utile - P pneu )/ρv 3 Exemple sur véhicule segment M1 (Hyp. r=0,85) Véhicule Mercedes A 170 CDI Renault Scénic 1.9 dti VW Golf 1.9 TDI Pmot Putile Vmax (km/h) Vmax (m/s) Poids (kg) véhicule + 80kg RR Ppneu 1/2ρV3 SCx calculé SCx soufflerie Différence 66 56, , ,28 70,36 0,68 0,71-0, , , ,29 67,97 0,75 0,78-0, , , ,05 74,04 0,61 0,65-0,04 SCx route = SCx soufflerie ± 0,035

6 La traînée : détermination du SCx par la méthode de décel. 6 Sur une route horizontale : dv M + av + bv + c = 0 dt avec 2 e SC x 4 essais véhicule lancé puis en roue libre : V(t) chute de 40 à 7 m/s avec mesure de la vitesse au cours du temps Recherche de solutions sous la forme Identification de la valeur de «a» donc du SCx a 1 = ρ 2 Terme de frottement de roulement (pneu-train) V( t) H. Takagi Nissan 2004 b = α tan t + 2a ( ω ϕ) SCx calculé 0,34 SCx soufflerie 0,31 Différence (%) 9,88

7 Les moyens expérimentaux Les souffleries 7 Nouvelle Soufflerie (2004)

8 Soufflerie S2A 8 Soufflerie S2A St Cyr

9 Principe des mesures des efforts aérodynamiques 9 V Traînée Déformations Extension - Compression Balance Balance Sans écoulement Avec écoulement

10 Les outils d étude : souffleries Les essais en soufflerie doivent représenter la réalité! 10 5 < Rec < 10 6 Réalité Soufflerie Problème Solution? milieu infini véhicule réel milieu confiné déflection de veine maquette échelle réduite maquette échelle 1 véhicule réel accélération écoulement orientation de l'écoulement respecter les nbres de Reynolds et de Mach détails prix détails pas disponible au début des études respecter un taux d'obstruction faible (5%) corrections corrections aucune mais il faut respecter le Rec aucune aucune utiliser des parties de véhicule réel (plancher, moteur) aucune pas de couche limite sur le sol couche limite sur le sol débit sous plancher sol défilant vent variable vent constant étude instationnaire souffleurs extérieurs 10 0,69 0,18 Re < Rec Cx=1.18 Re > Rec Cx=0.3 SCx 0,68 0,67 0,66 0,65 0,64 0,63 0,62 Maquette échelle ¼ SCx SCz 13,8 17,2 20,3 23,5 26, ,1 36,4 39,7 42,7 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 SCz Vitesse (m/s)

11 Les outils d étude : importance de l épaisseur de déplacement 11 Sol fixe Sol défilant Sous-estimation du débit sous-plancher Epaisseur de déplacement : * δ = 0 1 u U dy Source : SAE paper n

12 Les outils d étude : Problématique de la représentativité du sol 12 Artifices d amélioration de la représentativité de l écoulement amont Source : Hucho 1998

13 : Les outils d étude : représentativité du sol dans une soufflerie Pour sol fixe et sol défilant entre les roues 13 Mesure d efforts via les chandelles de fixation et les patins des roues Pour sol défilant complet même en dehors des roues Soufflerie S2A (St Cyr) Mesure d efforts via le dard de fixation Source : Race car aerodynamics by J. Katz. R. Bentley Publishers Soufflerie DNW

14 14 plancher fixe tunnel hydrodynamique Onera plancher mobile

15 Les outils d étude : visualisation de l écoulement 15 Pour déceler les décollements, les zones de salissures Pour optimiser la position des entrées d air de refroidissement Indispensable avant de faire des mesures pour connaître la structure de l écoulement

16 Les outils d étude : mesure de l écoulement 16 Pour comprendre l influence des modifications géométriques sur l écoulement et donc sur les coefficients aérodynamiques Indispensable pour capitaliser l expérience et pour valider les calculs Fil chaud Sonde de pression LDV Microphones paroi PIV

17 Les outils d étude : simulation numérique 17 Avantages : - possibilité de connaître le torseur aéro en début de conception - coût, temps (?) - connaissance de la structure de l écoulement - connaissance de l ensemble du champ - capitalisation plus facile - unité de lieu, de temps Mais validité des calculs encore à améliorer Les processus de conception utilisent aujourd hui une combinaison calculs/essais

18 Phases d une simulation numérique 18 Serveurs CAO Maillages Surfacique et volumiques Equation de Navier Stockes Modèles physiques Post-traitement Soufflerie PSA Soufflerie numérique Powerflow concept 1 concept 2 concept 3 concept 4 concept 5 concept 6 SCx, V, P, v, p, T, Optimisation de forme

19 19 La phase CAO Un véhicule est une géométrie très complexe Trains Av et AR GMP+GMV Soubassement Ecrans GMP Super structure Ligne d échappement + réservoir

20 Représentativité de la CAO / maquette 20 AV Cx = 0,33 AA Cx = 0,30 Arrondi de l arête: l Effet sur lunette et culot, visible seulement pour 25 Torseur: AA zone de recompression plus petite sur lunette paramètre O(1) à maîtriser

22 Les outils d étude : comment simuler un écoulement? 22 Deux approches possibles : eulérienne et lagrangienne Approche eulérienne On se place en un point et on regarde l influence de nos voisins Approche lagrangienne On se place à la place d une «particule» et on la suit u u, p Equivalence u u u Méthode des volumes finies FLUENT/ Star CD (RANS) Méthode Lattice Boltzmann POWERFLOW

23 Les outils d étude : 2 (très) beaux maillages surfaciques 23

24 Les outils d étude : 2 très beaux maillages volumiques 24

25 Les outils d étude : 2 autres (très) beaux maillages volumiques 25 Notion de densification de maillage (VR)

27 Les outils d étude : les modèles physiques Equation de Navier-Stockes r V t + rr r 1 r ρ ( V ) V = P + υ V + f r r 27 Terme non-linéaire Terme dissipatif Si la turbulence (non-linéarité) n existait pas : les mouvements de l air au passage d un véhicule reviendrait au repos (dissipation d énergie visqueuse) sur un temps : τ ν ~ L*L / ~ 15 jours Cependant l observation montre que ce temps est ~ 1 minute Existence d une compétition entre les phénomènes non-linéaires et les phénomènes de dissipation visqueuse : υ Re = U L υ = τ τ υ = l 2 L L / / υ U L U : vitesse caractéristique L : dimension caractéristique ν : viscosité du fluide (~10-5 m²/s)

28 Problématique numérique 28 Un paramètre dimensionnant : le nombre de Reynolds R e = Ul ν U : vitesse caractéristique l : dimension caractéristique ν : viscosité du fluide (~10-5 m²/s) Écoulements turbulents : Co-existence des Grandes Echelles et des Petites Echelles (notion de cascade des GE vers les PE) Pour un écoulement 3D : Pour modéliser toutes les échelles nécessaires, le nombre de mailles N maille (pour une simulation de type Fluent) doit vérifier : Écoulement 3D : N maille 3 ~ (Re 3/4 ) 3 Pour l automobile : Re ~

29 Les outils d étude : simulation numérique 29 Résultats très bons mais : maillages et temps de calcul très importants, limité aux faibles vitesses et aux géométries simples Etudes fondamentales Simulation directe (DNS) Calculs instationnaires + traitement statistique grandeurs moyennes t Perfectionnement des modèles Equations de Navier-Stokes Perfectionnement des modèles Equations de de Reynolds (RANS) Moyenne Moyenne perte perte d'information d'information modèles de de turbulence turbulence (k-ε, (k-ε, RNG, RNG, RSM) RSM) géométries géométries complexes, complexes, Reynolds Reynolds élevées élevées mais mais aucun aucun modèle modèle n'est n'est encore encore assez assez universel universel Possibilités Possibilités de de faire faire varier varier les les conditions conditions aux aux limites limites en en fonction fonction du du temps temps calcul instationnaire instationnaire (rafale (rafale de de vent vent par par exemple) exemple) Moyenne statistique Perfectionnement des modèles Filtrage Simulation des des grandes échelles (LES) Les Les grandes grandes échelles échelles sont sont simulées simulées et et les les petites petites échelles échelles sont sont modélisées modélisées modèle de de sous-maille sous-maille Résultats Résultats proches proches de de l'expérience l'expérience mais: mais: taille taille de de maillage maillage et et temps temps de de calcul calcul très très importants importants (mais (mais moins moins que que pour pour la la DNS), DNS), modèles modèles de de sous sous maille maille perfectibles perfectibles t Calculs instationnaires + traitement statistique grandeurs moyennes

30 Les outils d étude : écoulement autour d un cylindre 30 Calcul RANS moyen Connaissance de la vitesse moyenne Calcul U-RANS instationnaire Détection d une fréquence Calcul LES ou PowerFlow instationnaire Détection de fréquences ET des spectres

31 Les outils d étude : nombre de maille/modèles numériques 31 Pour l automobile : Re ~ Approche eulérienne Approche lagrangienne Aujourd hui Demain RANS : ~ 10 6 mailles (attention : méthode stationnaire ) U-RANS : ~10 7 mailles VLES/SES : ~ 10 7 mailles 7 10 ans LES: ~10 9 mailles DNS: ~10 9 à mailles ans DNS : ~10 10 mailles VSP : pas de maillage Difficultés supplémentaires : des géométries complexes et des schémas numériques inadaptés, à développer

32 Les outils d étude : simulation numérique 32 Modèles RANS + volume finis - Codes commerciaux les plus répandus : Fluent, Star CD, Fire - Modèles de turbulence : k-e, RNG 2 équations, RSM - Maillages : tétraèdres, hexaèdres, hybrides (prismes + tétraèdres) - Applications : torseur aérodynamique, salissures, dégivrage (chmt de phase), climatisation, aérothermique,... Simulation Gaz sur Réseaux (PowerFlow) - Applications : aéroacoustique, torseur, aérothermique, climatisation Simulation des grandes échelles (LES) - Codes commerciaux : N3S, Fluent, Star CD - La plupart sont encore des codes de recherche - Applications pour l industrie : - validation et amélioration des codes RANS - Aéroacoustique : - compréhension des phénomènes - aéroacoustique

33 Les outils d étude : corrélation calculs/essais 33 PIV PowerFlow Fluent Corrélation SCx : < 5%

34 Danger de la simulation! 34 Influence du maillage sur l écoulement externe (culot du véhicule) Maillage grossier Maillage + fin (+ 40% de mailles) Champ de Pression Lignes de courant

35 Danger de la simulation! 35 Coarse Maillage gros. grid Maillage Fine Grid + fin PowerFLOW Essais A.Cx SCx A.Cz SCz

36 Les outils d étude : un maillage mobile 36 Méthode du layering Domaine maillé en rectangles (prismes en 3D) Le maillage est réactualisé par couches Méthode du remeshing Domaine maillé en triangles (tétraèdres en 3D) R lage selon un critère de taille ou de qualité

37 37 Trajectoire avec vent latéral/dépassement/croisement Lors d un dépassement, les écoulements produits par chaque véhicule interagissent. Ils induisent des forces de dérive brèves et intenses qui modifient leur trajectoire.

39 Le post-traitement 39

40 40 Amplitude de Vorticité Vorticité X Amplitude de la vitesse Q < 1600 Le post-traitement