SIMULATION DES AUTOUR D UN MODELE SIMPLIFIE DE VOITURE AUTOMOBILE

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1 Simulation SIMULATION AUTOUR D UN MODELE SIMPLIFIE DE VOITURE AUTOMOBILE Michel VISONNEAU et Emmanuel GUILMINEAU Laboratoire de Mécanique des Fluides CNRS UMR 6598, Ecole Centrale de Nantes Nantes, FRANCE GDR Contrôle des Décollements Polytech Orléans, 2009

2 Comme les voitures deviennent de plus en plus légères pour réduire leur consommation de carburant, la stabilité devient plus sensible aux forces aérodynamiques. Et un véhicule sur la route est soumis à un écoulement turbulent non-uniforme. = Effets de vent latéral Les recherches sur le vent latéral ont principalement été conduites sur les trains et les camions, qui sont très sensibles au vent latéral en raison de leur grande surface latérale. Pour les voitures, ce domaine est très récent. = Modèle Simulation

3 Les simulations numériques sont maintenant intégrées dans l industrie. Mais pour les effets de vent latéral avec un grand angle de dérapage, les simulations RANS sont déficientes. Par exemple pour un angle de dérapage de 30 avec le modèle de turbulence EARSM : Simulation & F. Chometon, Journal of Fluids Engineering, = Simulations

4 Simulation d écoulement avec ISIS-CFD Simulation numérique d écoulements turbulents et incompressibles Simulation Géométries complexes (maillage non-structuré) Plusieurs modèles pour la turbulence Surface libre ou écoulements cavitants (capture d interface) DTMB libre Raffinement/déraffinement automatique de Drague maillage S60 + Houle avec ses appendices Fortement couplé avec la loi de Newton Calcul du mouvement d un ou plusieurs corps solides ou déformables dans un fluide Déplacement d un requin Code diffusé par NUMECA Int. sous le nom de FINE/Marine

5 Ecoulements visqueux incompressibles Phases non-miscibles Equations de Navier-Stokes en moyenne de Reynolds Discrétisation volumes finis totalement implicite Volume de controle de forme arbitraire Second ordre en espace et en temps Algorithme de type SIMPLE : Equation de pression Solveurs GMRES/CGSTAB + ILU(k) Version parallèle (MPI) Modèles de turbulence 1 Eq : Spalart-Allmaras 2 Eqs: K-ε, K-ω Wilcox/Menter, EARSM, ARSM 7 Eqs: R ij ω LES : D.E.S Simulation

6 -SST Equation pour K (ρk ) t + (ρu jk ) x j = P k β K ω + [ (µ + σ K µ t ) K ] x j x j Terme de destruction du modèle original (K-ω SST) : Terme de destruction : E = β K ω = ε E = β K ω F Simulation Fonction : avec F = max C = 0.78 L t = ( ) Lt C (1 F SST ),1 K β ω = 2 x + 2 y + 2 z

7 -SST Choix de la fonction F SST : F SST = 0 ou F 1 ou F 2 Simulation F SST = 0 = Modèle original (Strelets) noté -SST F SST = F1 F SST = F2 = Fonction du modèle K-ω SST noté -SST-F1 = Fonction du modèle K-ω SST noté -SST-F2

8 Simulation ECOULEMENT AUTOUR DU MODELE DE WILLY

9 Modèle Willy ( Simulation Longueur du modèle L = 675 mm Hauteur du modèle H = 192 mm Largeur du modèle W = 240 mm Garde au sol G = 29 mm 4 pieds (f) φ 1 = 20 mm Cylindre central (c) φ 2 = 40 mm (pour protéger les tubes de pression dans les expériences) & F. Chometon, Journal of Fluids Engineering, 2009.

10 Orientation du modèle Définitions Simulation Sol fixe Vitesse amont: V 0 = 20 m/s: = Re L = = Re H = Angle de dérapage β : >0 si le coté droit du modèle est le coté au vent

11 Etude de maillage pour β = 10 Maillage généré par Hexpress TM Domaine de calcul : [4 L; 5.5 L] [-1.5 L; 1.5 L] [-G; 1.5 L] Vue de coté Vue de dessus Simulation y = mm pour le modèle (y + = 0.5) (bas Reynolds) y = 0.6 mm pour le sol (fonction de paroi) Nombre de points Maillage 1 Maillage 2 Maillage 3 du maillage sur le modèle sur le sol

12 Pression de paroi et coeffecient de trainée pour β=10 Coefficient de pression le long de la courbe (Pt) Simulation Coefficient de trainée Maillage 1 Maillage 2 Maillage 3 Cx Simulations pour les autres angles utilisent la taille du maillage 2

13 Maillage Simulation Caractéristiques du maillage y x (sur le culot) (près des pieds) z (sur le culot) (près des pieds)

14 Informations numériques Modèle -SST Simulations instationnaires Pas de temps : t = s 20 itérations non-linéaires / pas de temps Nombre de pas de temps pour le moyennage entre et Zone RANSE Modèle de Willy : 20 cellules Sol de la soufflerie : 3-5 celluless Simulation Autres simulations Comparaison avec des résultats obtenus avec le modèle de turbulence EARSM (maillage points)

15 Angle de dérapage : β = 0 Coefficient de pression totale à Xo/L = 0.60 EARSM -SST Expérience Simulation Lignes de courant dans le plan de symétrie EARSM -SST Expérience (Gohlke et al, 2007) L R 0.49 L 0.44 L 0.4 L

16 Angle de dérapage : β = 10 Slice at X/L = Simulation Z [mm] V2 V Y [mm] Iso-surface de la composante U -SST : Pression

17 Angle de dérapage : β = 20 Slice at X/L = Simulation Z [mm] V3 V Y [mm] Iso-surface de la composante U

18 Angle de dérapage : β = 30 Slice at X/L = Simulation Z [mm] V Y [mm] Iso-surface de la composante U

19 Angle de dérapage : β = 30 Coefficient de pression totale à Xo/L = 0.55 EARSM -SST Expérience 250 Cpi: Cpi: Cpi: Simulation Zo [mm] Zo [mm] Zo [mm] Yo [mm] Yo [mm] Yo [mm] -SST : Pression totale Coefficient de pression totale à Z = mm EARSM -SST Expérience

20 Coefficient de pression Courbe (A) β=10 β=20 Simulation Cp 1.0 EASM Experiments Cp 1.0 EASM Experiments X [mm] X [mm] β= EASM Experiments 0.5 Cp X [mm]

21 Coefficient de pression Z = 50 mm β=10 β= EASM EASM -0.2 Experiments -0.2 Experiments Simulation Cp -0.4 Cp Y [mm] Y [mm] β= EASM Experiments -0.3 Cp Y [mm]

22 Forces Trainée Experiments EASM -SST Force latérale Simulation Cx Yaw angle β Cy Moment de dérapage Experiments EASM -SST Yaw angle β CN Experiments EASM -SST Yaw angle β

23 Simulation ECOULEMENT AUTOUR DU MODELE DE AHMED

24 Modèle Ahmed Simulation Longueur du modèle L = 1044 mm Hauteur du modèle H = 288 mm Largeur du modèle W = 388 mm Garde au sol G = 50 mm 4 pieds (f) φ 1 = 30 mm Angle de la lunette arrière α = 25 Conditions expérimental Vitesse incidente V 0 = 40 m/s = Re L = ou Re H =

25 Maillage Maillage généré par Hexpress TM Domaine de calcul : [2 L; 5 L] [-0.9 L; 0.9 L] [0; 1.34 L] Recommendation du workshop ERCOFTAC 2002 y = 2.7 mm (fonction de paroi) = Maillage 1 y = mm (bas Reynolds) = Maillage 2 Nombre de points Maillage 1 Maillage 2 du maillage sur le modèle sur le sol Simulation

26 Maillage Comparaison des deux maillages au niveau du toit Simulation Caractéristiques du maillage 2 y + : 0.75 x + : 250, sur la lunette et près des pieds z + : 180, sur la lunette et 250 près des pieds

27 Informations numériques Modèles : -SST, -SST-F2 Simulations instationnaires Pas de temps : t = s 20 itérations non-linéaires / pas de temps Nombre de pas de temps pour le moyennage entre et Simulation

28 Lignes de courant dans le plan de symétrie Maillage 1 EARSM -SST -SST-F2 Simulation Maillage 2 EARSM -SST -SST-F2

29 Profils de vitesse sur la lunette arrière Maillage 1 Maillage 2 Simulation

30 Vitesse à X = 0 mm Maillage 1 EARSM -SST Simulation -SST-F2 Expérience

31 Vitesse à X = 0 mm Maillage 2 EARSM -SST Simulation -SST-F2 Expérience

32 Vitesse à X = 80 mm Maillage 1 EARSM -SST Simulation -SST-F2 Expérience

33 Vitesse à X = 80 mm Maillage 2 EARSM -SST Simulation -SST-F2 Expérience

34 Vitesse à X = 200 mm Maillage 1 EARSM -SST Simulation -SST-F2 Expérience

35 Vitesse à X = 200 mm Maillage 2 EARSM -SST Simulation -SST-F2 Expérience

36 Vitesse à X = 500 mm Maillage 1 EARSM -SST Simulation -SST-F2 Expérience

37 Vitesse à X = 500 mm Maillage 2 EARSM -SST Simulation -SST-F2 Expérience

38 Coefficient de pression sur le culot à Y = 0 mm Maillage 1 Maillage 2 Simulation

39 Coefficient de pression sur le culot à Y = 180 mm Maillage 1 Maillage 2 Simulation

40 Coefficient de pression sur la lunette arrière à Y = 0 mm Maillage 1 Maillage 2 Simulation sur la lunette arrière à Y = 180 mm Maillage 1 Maillage 2

41 Forces Coefficient de trainée (Cx) EARSM -SST -SST-F2 Maillage Maillage Expérience Simulation Coefficient de portance (Cz) EARSM -SST -SST-F2 Maillage Maillage

42 & Perspectives Présentation de calculs par une approche de l écoulement Modèle de Willy Pour les angles de dérapage modérés : résultats -SST similaires à ceux obtenus par RANS Pour les angles de dérapage importants : résultats -SST en meilleur accord avec les données expérimentales que les résultats obtenus par RANS Modèle de Ahmed avec incidence de lunette arrière 25 dépendants du modèle de turbulence choisi Bulle de décollement sur la lunette arrière non prédite Sillage correctement prédit avec le modèle -SST et un maillage bas-reynolds Evolution de la pression correctement prédite par -SST avec un maillage bas-reynolds mais pas les niveaux Simulation