Contrôle aérodynamique et effet d échelle Application au contrôle par jets pulsés

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1 10 ème Congrès Français e Mécanique Boreaux, 9 août au septembre 013 Contrôle aéroynamique et effet échelle Application au contrôle par jets pulsés P. GILLIERON a.chercheur inépenant, rmfa.pgillieron@orange.fr Résumé : Les expérimentations effectuées en soufflerie pour mettre au point es solutions innovantes e contrôle es écollements aéroynamiques s'effectuent le plus souvent sur es géométries à échelle réuite. La transposition es protocoles expérimentaux et la étermination e l efficacité énergétique es solutions ientifiées sont alors rarement étuiées et analysées sur es géométries à échelle réelle. A partir un protocole ayant permis e réuire e 0% la traînée aéroynamique 'une maquette à sillage fortement écollé, le papier propose 'analyser les effets 'une transposition à échelle réelle e ce protocole sur son efficacité énergétique. Les résultats fournissent es préconisations pour imensionner et mettre au point es solutions sur véhicules réels. Abstract : The experiments realize in win tunnel to evelop innovating solutions of aeroynamic control are generally carrie out on reuce scale geometries. The transposition of the experimental protocols an the etermination of the energy efficiency of the ientifie solutions then are selom stuie an analyze on real scale geometries. Starting from a protocol having allowe to reuce by 0% the aeroynamic rag of a moel wake strongly separate, this paper proposes to analyze the effects of a transposition on real scale of this protocol on its energy efficiency. The results provie recommenations in orer to imension an to evelop solutions on real vehicles. Mots clefs : Aéroynamique, contrôle, actionneurs, jet pulsé, moélisation. 1 Introuction Les expérimentations effectuées en soufflerie pour mettre au point es solutions innovantes e contrôle actif es écollements aéroynamiques s'effectuent le plus souvent sur es géométries à échelle réuite. Cette orientation est éterminée par la nécessité e réuire les coûts obtention es maquettes, les coûts e réalisation et implantation es actionneurs, les coûts instrumentation et les coûts es essais. Les protocoles expérimentaux et l efficacité énergétique es iverses solutions e contrôle sont alors rarement transposés et analysés sur es géométries à échelle réelle. L absence e onnées quantifiées réuit alors l intérêt que pourraient porter les iverses inustries au contrôle actif es écollements aéroynamiques pour accroître la portance, réuire la traînée ou encore libérer la créativité u Design es contraintes aéroynamiques [1]. Les enjeux sont importants tant au niveau e la préservation es ressources énergétiques que e la pollution et u réchauffement climatique. A titre 'exemple, réuire e 10% la traînée aéroynamique 'une automobile e milieu e gamme permet e iminuer la consommation 'environ 0.5 litre sur 100 km à 130 km/h, soit à peu près e 10% sa consommation moyenne sur la même istance (5 litres pour 100 kms). En France et pour les quelques 85 milliars e kilomètres parcourus [] chaque année sur le réseau autoroutier, cette réuction e consommation pourrait représenter une réuction e consommation estimée à 45 millions e litres soit l'équivalent 'au moins.6 millions e barils e pétrole [1].

2 Dans ce contexte, il apparaît nécessaire e fournir es orres e graneur ainsi que estimer l efficacité u contrôle sur es géométries à échelle réelle à partir e résultats établis sur es maquettes à échelle réuite. Ces orres e graneur et l'efficacité u contrôle sont successivement établis et analysés à partir e résultats relevés sur une géométrie simplifiée e véhicule automobile à échelle réuite équipée 'une barrette e jets pulsés positionnée sur le haut e la lunette arrière. La maquette La maquette est une géométrie simplifiée inspirée u corps e Ahme à lunette arrière inclinée un angle par rapport à la irection e l écoulement incient [3], voir la figure 1. La longueur L A, l envergure W A, la hauteur H A, respectivement égales à 0.731, 0,7 et 0.0 m sont significatives une géométrie simplifiée e type bicorps à échelle 1/N où N=6 ésigne le facteur e réuction. La fin u pavillon (resp. la fin u soubassement) se raccore au haut e la lunette arrière (resp. au bas u culot) e manière continue e part et autre une surface cylinrique e rayon égal à 10 - m [4], voir la figure. Ces surfaces arronies ne sont pas représentées sur la figure 1. La partie supérieure e la lunette arrière est équipée une barrette actionneurs e jets pulsés positionnée horizontalement et perpeniculairement à la irection e l écoulement incient. Cette barrette apparaît sur la partie roite e la ligne fictive repérée A sur la figure 1. Les actionneurs fonctionnent en phase, sont alimentés par un réseau 'air comprimé et ébouchent sur une fente unique e hauteur e= m située à une istance = m u haut u plan e la lunette arrière. Pavillon Actionneur Arête fictive P V m() Plan e symétrie transversal u jet plan Lunette arrière Tangente à la nappe écollée Nappe écollée FIG. 1 Géométrie moifiée u corps e Ahme à échelle 0.7. La ligne A est à la jonction fictive entre la fin u pavillon et le haut e la lunette arrière [3,4]. FIG. Barrette actionneurs située à la istance u haut e la lunette arrière [4,5]. V m () est la vitesse efficace maximale u jet à la istance e la nappe écollée au plan e la lunette arrière. 3 Les principaux résultats Pour la géométrie consiérée et une vitesse 'écoulement infini amont V o égale à 30 m/s, l écoulement écolle à la fin u pavillon pour onner naissance à une nappe écollée, voir les figures et 3. Un écoulement e retour apparaît sous la nappe et génère eux structures tourbillonnaires contrarotatives auxquelles sont associés eux foyers e séparation et eux points selle respectivement repérés F 1 et F puis S 1 et S sur la figure 4 [5]. Des cartographies PIV mettent en évience eux structures tourbillonnaires en cornet sur les parties latérales gauche et roite e la lunette arrière [5]. Pour une fréquence f o et une vitesse efficace V eff u jet ans le plan e sortie e l'actionneur respectivement égales à 500 Hertz et 33 m/s, la traînée aéroynamique iminue e 0% [4,5]. 4 Orres e graneur pour une maquette à l échelle 1 L objectif est ici estimer es orres e graneur pour la fréquence et la vitesse efficace (valeur RMS) ans le plan e sortie u jet pour es actionneurs positionnés sur une maquette à échelle 1/1. Ces orres e graneur se éterminent à partir e visualisations et e mesures relevées sur la maquette à échelle 1/N (N=6) pour la meilleure réuction e traînée (0%), une vitesse

3 écoulement infini amont V o et une largeur e fente e es actionneurs inépenantes u facteur e réuction. Cette ernière hypothèse est imposée pour limiter l accroissement e puissance (la puissance varie proportionnellement à la section e sortie e l actionneur), réuire l impact visuel u contrôle et éliminer les risques 'entrées parasites insectes, eau, e poussière ou e échets ivers. La fréquence f u jet pour la maquette à échelle 1/1 se étermine à partir e la fréquence f o u jet pour la maquette à échelle 1/N et u rapport es fréquences e battement e la nappe écollée pour les maquettes aux échelles 1/1 et 1/N (facteurs e réuction 1 et N) respectivement notées F et F o. La vitesse efficace (RMS) u jet ans le plan e sortie e l actionneur se étermine à partir e la vitesse relevée à l intersection e l axe u jet avec la nappe écollée e fin e pavillon et une équation spatiale pour la vitesse u jet. 4.1 Fréquence u jet pour la maquette à échelle 1/1 - La fréquence u jet s obtient en consiérant que les écoulements sans contrôle autour es maquettes aux échelles 1/1 et 1/N sont homologues ans l espace. La fréquence u jet se étermine alors à partir e la fréquence e battement u écollement e la lunette arrière en consiérant constants les rapports e la fréquence u jet sur la fréquence e battement pour chacune es eux échelles. La fréquence e battement s obtient à partir e la vitesse e l'écoulement infini amont V o et e la istance verticale h qui sépare les plans horizontaux passant par les points selles S 1 et S sur la visualisation pariétale, voir les figures 3 et 4. Cette istance, estimée sur la maquette à échelle réuite (N=6) est proche e 0.08m. Pour cette valeur et la vitesse écoulement à l infini amont V o, la fréquence e battement F o, éfinie à partir u rapport e la vitesse e l écoulement V o sur la hauteur verticale h, est alors proche e 375 Hertz. S 1 F 1 F S 1 h S S FIG. 3 Lignes e courant et champ e vorticité sans contrôle [4,5]. Les traits blancs représentent les traces e eux plans horizontaux qui passent par les points selle S 1 et S repérés sur la figure 4. FIG. 4 Maquette sans contrôle, visualisation pariétale sur la lunette arrière et le culot [5]. Les points selles S 1 et S sont associés à la imension verticale moyenne h e la structure tourbillonnaire issue u haut e la lunette arrière. Suivant le même calcul, pour la maquette à échelle 1/1 et la même vitesse V o e l écoulement à l infini amont, la fréquence e battement F est alors proche e 6 Hertz (N fois moins que la fréquence e battement F o pour la maquette à échelle 1/N). Si les rapports e la fréquence u jet sur la fréquence e battement pour les maquettes aux échelles 1/1 et 1/N sont constants (hypothèse), la fréquence u jet pour la maquette à échelle 1/1 onnée par : fo f F. (1) F o est égale à 83 Hertz avec f o =500 Hertz, voir le paragraphe 3. La fréquence u jet pulsé pour le contrôle iminue alors avec l'augmentation e l'échelle es maquettes (ou la iminution u facteur e réuction N). Cet orre e graneur reste cohérent avec les caractéristiques es actionneurs isponibles aujour hui sur le marché [6]. 3

4 4. Vitesse e ébit u jet pour la maquette à échelle 1/1 - La étermination e la vitesse e ébit pour le jet nécessite e s intéresser à l évolution e la vitesse u jet ans la irection perpeniculaire au plan e sortie es actionneurs. Dans les éveloppements qui suivent, le champ instantané es vitesses est supposé parfaitement représenté par le champ généré par un jet continu. Le caractère instationnaire est ainsi supposé sans effet sur le champ e vitesse inuit par le jet auelà u plan e sortie e l actionneur. Le moule e la vitesse, en ehors e la région à potentiel 1 es vitesses, est alors fonction u temps et e sa istance par rapport au pôle u jet. A chaque instant, son évolution sur l'axe u jet ans le plan méian perpeniculaire à la section e sortie e l'actionneur varie en raison inverse e la racine carrée e sa istance au pôle u jet telle que (Abramovich [7]) : e Vm (),68 Uo () avec U o et e, la vitesse e ébit et l épaisseur u jet ans le plan e sortie e l actionneur (hauteur u jet plan). La loi 'évolution e la vitesse réuite Vm () Uo en fonction e la istance réuite e est représentée sur la figure 5. 1, 1,0 Région potentielle V m () = U o V o u () V m () V m ()/U o 0,8 0,6 Lunette arrière P v () 0,4 0, /e FIG. 5 Evolution e la vitesse maximale réuite V m ()/U o relevée ans le plan méian perpeniculaire à la section e sortie e l'actionneur en fonction e la istance réuite /e, 'après Abramovich (voir la théorie es jets plans [7]). Actionneur Nappe écollée FIG. 6 - Actionneur e type jet plan positionné sur le haut e la lunette arrière [4]. Le jet est transversal et souffle perpeniculairement à la surface e la lunette arrière. La vitesse u jet sur l axe, notée V m (), est à la istance u plan e la lunette arrière. Quelle que soit la position e la nappe écollée, le jet intercepte la nappe en un point P situé à une istance u plan e sortie u jet, voir la figure 6. En ce point, la vitesse u jet possèe une composante normale et une composante tangentielle respectivement notées u() et v(). La composante normale u() ten à éloigner la nappe e la surface e la lunette arrière et par conséquent à accroître la imension verticale u sillage. La composante tangentielle v() ten à reporter vers l'aval les structures tourbillonnaires associées à la nappe écollée issue u pavillon [5]. Ces influences engenrent es moifications ans la cinématique tourbillonnaire e sillage et iminuent la circulation associée aux structures tourbillonnaires qui constituent le sillage [8]. Pour une même vitesse e l écoulement extérieur, les vitesses inuites par le jet au point P pour les configurations aux échelles 1/N et 1/1 oivent être égales pour garantir es influences ientiques u jet sur la nappe. En ésignant par o et les istances homologues u plan e sortie es actionneurs à la nappe écollée pour les facteurs e réuction N et 1, alors et après (), la vitesse e ébit ans le plan 1 Région où la vitesse est égale à la vitesse e ébit, la vitesse est transversalement constante en tout point. Le pôle u jet est un point situé sur l axe u jet légèrement en amont u plan e sortie u jet, voir les travaux 'Abramovich [7]. 4

5 e sortie es actionneurs est onnée par : 1 1 U Uo Uo N (3) o Pour les valeurs fournies précéemment et une vitesse e ébit pour la maquette à échelle 1/6 (facteur e réuction N=6) égale à 33 m/s [4,5], la vitesse e ébit ans le plan e sortie es actionneurs pour la maquette échelle 1/1 (facteur e réuction N=1) est égale à 74 m/s (plus e fois la valeur pour la maquette à échelle 1/6). Cette vitesse peut être réuite en choisissant e rapprocher la position longituinale e la fente es actionneurs vers le haut e la lunette arrière. Pour une istance égale à m ientique à la configuration e l échelle 1/6, la vitesse e ébit et par suite la puissance par unité e longueur nécessaires au contrôle restent ientiques quel que soit le facteur e réuction N. 5 Efficacité u contrôle La fréquence et la vitesse e ébit u jet étant éterminées, l objectif suivant consiste à estimer l impact u facteur e réuction sur l efficacité u contrôle. Cette estimation nécessite e éfinir puis ientifier les impacts u facteur e réuction sur la puissance à mettre en œuvre pour assurer le contrôle et sur le gain e puissance aéroynamique. L estimation s effectue pour es géométries actionneurs ientiques inépenantes u facteur e réuction N. 5.1 Impact sur la puissance nécessaire au contrôle - Pour es pertes e charges ientiques 3 es actionneurs, la puissance E nécessaire au fonctionnement es actionneurs pour la configuration à échelle 1/1 exprimée en fonction e la puissance configuration à l échelle 1/N est onnée par la relation : 3 5 c E co nécessaire pour la Ec Ec N Ec N o o (4) o La puissance nécessaire au contrôle augmente en fonction e la puissance 5/ u facteur e réuction. Si l épaisseur e la fente evait suivre l évolution échelle, l exposant u facteur e réuction N evienrait égal à 7/. Cette évolution conuit à es puissances qui peuvent evenir rapiement incompatibles avec la nécessité e réuire les imensions et les masses es systèmes embarqués. 5. Impact sur le gain e puissance aéroynamique - Pour une même variation Cx u coefficient e traînée aéroynamique, les gains e puissance aéroynamique exprimés pour les échelles 1/N et 1/1 sont respectivement éfinis par : 3 Eo So Vo Cx (5) 3 3 E S Vo Cx So Vo Cx N Eo N (6) Le gain e puissance varie onc moins vite ( < 5/) que l augmentation e puissance à fournir au contrôle pour moifier la cinématique e sillage. 5.3 Impact sur l efficacité énergétique - Les résultats précéents montrent que la puissance nécessaire au contrôle augmente plus rapiement que le gain e puissance aéroynamique lorsque les imensions e la géométrie augmentent (le facteur e réuction N iminue). Cette évolution montre l intérêt e maintenir constante l épaisseur u jet lorsque l échelle e 3 Les géométries étant ientiques, les coefficients e pertes e charges sont ientiques. 5

6 représentation augmente et e rechercher es solutions capables e réuire les puissances nécessaires au contrôle. Ce résultat confirme l intérêt es solutions e contrôle alterné, soufflage et/ou aspiration alternés, et u couplage es solutions e contrôle actif avec es solutions e contrôle passif [9]. S agissant enfin améliorer l efficacité u jet sur le ébattement e la nappe et compte tenu u éveloppement transversal u jet [7], la solution qui consiste à positionner une secone fente en aval, parallèlement et à quelques millimètres e la fente initiale est, un point e vue énergétique, préférable à un élargissement e l épaisseur e la fente. 6 Conclusion Les influences u facteur e réuction sur les paramètres et l efficacité énergétique u contrôle sont analysées. Les résultats sont établis pour une géométrie simplifiée e véhicule automobile à échelle réuite et une réuction e traînée proche e 0% relevée sur une maquette à échelle 1/6 (facteur e réuction N=6) munie une barrette e jets pulsés positionnée sur le haut e la lunette arrière. A partir u facteur e réuction, une analyse effectuée sur les graneurs caractéristiques e l écoulement permet accéer à un orre e graneur pour la fréquence es actionneurs à positionner sur la maquette à échelle réelle. Un moèle e vitesse pour le jet plan est ensuite utilisé pour estimer la vitesse e ébit ans le plan e sortie es actionneurs. La vitesse obtenue permet analyser l impact u facteur e réuction sur la puissance nécessaire au contrôle et sur le gain e puissance aéroynamique généré par le contrôle. Quelle que soit l épaisseur u jet ans la section e sortie es actionneurs, le gain e puissance aéroynamique inuit par le contrôle augmente moins vite que l augmentation e puissance nécessaire au contrôle lorsque les imensions e véhicule à contrôler augmentent. L efficacité u contrôle iminue onc lorsque l échelle augmente. Ce résultat confirme l intérêt e rechercher es solutions e contrôle pour es épaisseurs e jet faibles et inépenantes es géométries. Si l épaisseur u jet à la sortie es actionneurs evait augmenter, une solution pourrait consister à positionner une secone fente ientique positionnée parallèlement à la première à (N-1) fois l épaisseur initiale e la fente. Les orres e graneur suggérés ans ce papier oivent être testés en soufflerie, analysés puis aaptés pour fournir es solutions imméiatement utilisables au risque e réuire l intérêt que pourrait porter l inustrie au contrôle actif. 7 Références [1] Gilliéron P. et Kourta A.; Aéroynamique automobile pour l'environnement, le esign et la sécurité, Eitions CEPADUES, ISBN n , 011. [] Union Routière e France (URF), L essentiel e faits et chiffres, Route Mobilité Transports 011, Aie- Mémoire, contact@unionroutiere.fr, [3] Ahme S.R., Ramm R. an Flatin G.; Some salient features of the time average groun vehicle wake, SAE technical paper Series , [4] Bieaux E., Bobillier P., Fournier E., Gilliéron P., El Hajem M., Champagne JY, Gilotte P., Kourta A., Aeroynamics for lan vehicles; Flow control; Drag reuction with pulse jets on thick boy an massive flow separation, IJAD, 010 Inersciences Enterprises Lt, pp 8-98, 011. [5] Gilliéron P. an Kourta A.; Aeroynamic rag control by pulse jets on simplifie car geometry, Exp. in Fluis, volume 54, pp 14-57, January 013. [6] Perno P., Merlen A., Talbi A., Preobrazhensky, Viar R., Gimeno L. an Ducloux O.; IEMN/LEMAC magneto-mechanical microjets an micro-hotwires an aeroynamic active flow control, Int. J. Aeroynamics, Vol. 1, Nos. 3/4, 011. [7] Abramovich, G.N. Teoriia turbulentnykh strui. Moscow, [8] Gilliéron P. et Kourta A.; Contrôle es écollements massifs, analyse es effets 'un contrôle par jets pulsés, Congrès Français e Mécanique, CFM 013. [9] Bruneau CH, Creusé E., Depeyras D., Gilliéron P. an Mortazavi I.; Coupling active an passive techniques to control the flow past the square back Ahme boy, Computers an Fluis 38, n 10,