13 ième Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2012 - ROUEN, 18 21 Septembre 2012 Vélocimétrie Volumétrique 3 composantes appliquée à l écoulement autour du corps de Ahmed avec contrôle passif Grégoire FOURRIÉ 1,2,, Nabil TOUNSI 1,2,4, Jean STEFANINI 3, Martin HYDE 3, David BOUSSEMART 1,2, Hamid OUALLI 4, Laurent KEIRSBULCK 1,2, Samir HANCHI 4 et Larbi LABRAGA 1,2 1 Univ Lille Nord de France, 59000 Lille, France 2 UVHC, TEMPO, 59313 Valenciennes, France 3 TSI France Inc., 13013 Marseille, France 4 LMDF École Militaire Polytechnique (EMP), BP17 Bordj-el-Bahri, 16111 Alger, Algérie 1 Introduction Le contexte environnemental et énergétique actuel nécessite l émergence de stratégies de transport innovantes afin de réduire l impact des véhicules routiers. Le développement de nouvelles stratégies de réduction de la traînée aérodynamique constitue l une des approches les plus prometteuses pour réduire la consommation et l émission de polluants du transport automobile. Environ 80% de cette traînée aérodynamique sont issus du champ basse pression au sein du sillage, dont 30% sont imputables aux structures décollées prenant naissance sur la partie arrière du véhicule. Le contrôle de ces décollements présente donc d intéressantes perspectives pour limiter l impact des véhicules. Le corps de Ahmed est une géométrie simplifiée de véhicule automobile définie par Ahmed et al. [1] (voir la figure 1) et communément utilisée en aérodynamique automobile. Ahmed et al. se sont initialement intéressés à l influence de l inclinaison de la lunette arrière sur la traînée pour des géométries de véhicule avec coffre intégré au corps principal et surmonté d une pente inclinée, la lunette arrière. L écoulement tridimensionnel se développant au-dessus de la lunette arrière du corps de Ahmed est particulièrement complexe : deux structures longitudinales coniques contrarotatives prennent naissance sur les arêtes latérales de la lunette et interagissent avec le bulbe décollé se développant depuis l arête arrière du pavillon (Spohn et Gilliéron [2]). Depuis une dizaine d années, diverses stratégies de contrôle d écoulement ont été proposées et étudiées autour de ce type de géométrie, en particulier autour du corps de Ahmed avec lunette arrière inclinée à 25 (voir par exemple Aider et al. [3], Brunn et al. [4], Gilliéron et Kourta [5]). Fourrié et al. [6] ont récemment mis en évidence l influence d un déflecteur placé sur l arête haute de la lunette, en fin de pavillon, sur le bulbe décollé et sur les structures tourbillonnaires longitudinales. Lorsque la déflection s avère suffisante, ils ont observé une réduction brutale de la traînée de l ordre de 9%, indiquant une forte modification de l écoulement. Les auteurs ont suggéré que ce phénomène était issu d une perturbation du développement des structures tourbillonnaires longitudinales du fait de l élargissement de la région décollée au-dessus de la lunette. Un mécanisme similaire a également été suggéré par Aider et al. [3] pour une géométrie comparable. Fourrié et al. ont également observé une fusion de la région décollée au-dessus de la lunette et de la structure supérieure de recirculation au culot du corps. La présente étude entend approfondir la compréhension de la modification de topologie d écoulement observée par Fourrié et al. au moyen de mesures par Vélocimétrie Volumétrique 3 composantes, l accent étant porté sur la région située au-dessus de la lunette arrière. Correspondant : gregoire.fourrie@univ-valenciennes.fr
2 Dispositif expérimental Le travail expérimental présenté ici a été réalisé en canal hydrodynamique au Laboratoire TEMPO de l Université de Valenciennes. La section d essai mesure 1,2 m de long avec une section carrée de 0,3 0,3 m 2. La vitesse amont est de 3 m/s et le taux de turbulence est inférieur à 1,5% en veine vide. D importantes différences de topologie sont attendues entre le cas de référence et le cas présentant un contrôle par déflecteur à un angle proche de l optimum déterminé précédemment par Fourrié et al. [6]. Deux maquettes ont donc été utilisées, chacune correspondant à l un des deux cas étudiés. Ces deux modèles sont obtenus par stéréolithographie, à l échelle 0,28 :1 (le cas de référence est présenté en figure 1), ce qui correspond à un nombre de Reynolds basé sur la hauteur du modèle de 2,4 10 5. Les deux maquettes reposent sur un profil d aile de type NACA0018. L origine des coordonnées est située au point médian de l arête supérieure de la lunette arrière, les directions des coordonnées sont représentées dans la figure 1. Figure 1 Géométrie du corps de Ahmed (dimensions en m, échelle 0.28:1) utilisée dans la présente étude. Les mesures ont été réalisées au moyen de la Vélocimétrie Volumétrique 3 composantes (V3V). Cette méthode repose sur les travaux de Willert et Gharib [7] et de Pereira et al. [8]. Le principe est comparable à celui de la Vélocimétrie par Images de Particules (PIV), où des paires d images acquises avec un délai temporel connu permettent la caractérisation des déplacements des particules au sein d une partie illuminée de l écoulement. Dans la méthode V3V, trois caméras à des angles légèrement différents se focalisent sur un cône lumineux. Les caméras donnent trois images permettant une cartographie volumétrique des positions des particules. Une calibration préalable est requise et réalisée en déplaçant une cible plane en différents plans de mesure. La profondeur de champ des caméras doit être suffisante. Une fois que les particules ont été identifiées dans chaque image, la même particule observée par les trois caméras est utilisée afin de définir un «triplet». En fait, ce triplet forme un triangle dans le plan focal correspondant, sa taille étant fonction de la position de la particule dans la profondeur (sa coordonnée z). La position moyenne du triplet (le centre du triangle) donne la position (coordonnées x et y) de la particule dans le plan situé à la profondeur déterminée précédemment. Ainsi, le vecteur vitesse peut être déterminé au moyen de la méthode de tracking définie par Pereira et al. [9]. Contrairement à la PIV standard, l extraction du vecteur n est pas effectuée sur une grille spécifique, rendant nécessaire l interpolation des vecteurs déterminés sur une grille régulière. Une vue schématique du système est proposée en figure 2. Le cône lumineux est obtenu par un laser Nd-YAG double pulse opérant à 532 nm, avec 200 mj par pulse et une fréquence de 7,25 Hz. L écoulement est ensemencé avec des particules de polyamide ayant un diamètre moyen de 50 µm. Trois caméras, chacune comportant un capteur CCD de 2.048 2.048 pixels 2, sont utilisées. Le volume de mesure est situé au-dessus de la lunette arrière du corps et mesure 120 60 100 mm 3. Le traitement des données est réalisé au moyen du logiciel INSIGHT V3V de TSI.
Des champs de vorticité longitudinale dans un plan transverse situé derrière le modèle (x/l=0,4) sont également présentés. Ces résultats ont été obtenus en soufflerie par des mesures par PIV stéréoscopique (SPIV), similaires à celles réalisées dans Fourrié et al. [6]. Figure 2 Configuration de mesure en canal hydrodynamique au moyen du système V3V de TSI. 3 Résultats et discussion Comme révélé dans Fourrié et al. [6], lorsqu un déflecteur incliné à un angle optimal est placé en fin du pavillon du corps, l élargissement de l écoulement décollé sur l arête supérieure de la lunette arrière induit l affaiblissement des structures tourbillonnaires longitudinales qui se développent à son contact. La figure 3 présente la perte de cohérence de l une de ces structures tourbillonnaires observable sur les champs de vorticité longitudinales dans le sillage du modèle. Ceci étant une vue du champ aérodynamique restreinte à un plan, la disparition de la structure tourbillonnaire dans le cas contrôlé ne peut pas être mise en évidence ici. De plus, dans Fourrié et al. [6], les mesures par SPIV (et par PIV standard) n ont pas permis aux auteurs d accéder à une description précise de la topologie de l écoulement. Figure 3 Champs de vorticité longitudinale dans un plan transverse dans le sillage du corps de Ahmed (x/l=0,4) à partir de mesures SPIV, sans (gauche) et avec déflecteur (droite). La profondeur de ces champs correspond à la composante longitudinale de vitesse. La technique V3V permettant l accès au champ aérodynamique tridimensionnel, une meilleure description de l influence du dispositif de contrôle sur le développement des structures tourbillonnaires longitudinales peut être obtenue. La figure 4 présente des iso-contours de vorticité (longitudinale et non-longitudinale) au-dessus de la lunette arrière. Ces contours de vorticité
mettent en évidence deux types différents de structures tourbillonnaires. Dans le cas de référence, la structure longitudinale est observable, le cœur de la structure étant mis en évidence par des niveaux de contour de vorticité plus élevés. Il paraît à présent évident, à partir de ces mesures V3V, que le dispositif de contrôle entraîne la destruction des structures tourbillonnaires longitudinales. En effet, même pour des valeurs de contour de vorticité longitudinale, aucune structure cohérente correspondant à la structure longitudinale n apparaît. L iso-contour de vorticité non-longitudinale met en évidence la région décollée de l écoulement au-dessus de la lunette arrière. Cette région correspond au bulbe de recirculation dans le cas de référence, et à un décollement massif occupant la totalité de volume de l écoulement au-dessus de la lunette arrière lorsque le déflecteur est utilisé. Ce fort décollement au-dessus de la lunette perturbe le développement des structures tourbillonnaires longitudinales et entraîne leur disparition. Figure 4 Iso-contours de vorticité longitudinale et non-longitudinale, sans (gauche) et avec déflecteur (droite). Les lignes de courant proposées en figure 5 illustrent clairement les fortes différences de topologie d écoulement existant entre les deux cas considérés. Le cas de référence (figure 5, gauche) présente un comportement standard, avec un enroulement des lignes de courant indiquant le développement des structures tourbillonnaires longitudinales au contact du bulbe de recirculation. Dans le cas contrôlé (figure 5, droite), la topologie de l écoulement est dominée par le décollement massif. Fourrié et al. [6] ont observé la fusion de la structure décollée au-dessus de la lunette avec la structure de recirculation supérieure présente au culot. Figure 6 Lignes de courant au-dessus de la lunette arrière du cas de référence (gauche) et du cas contrôlé (droite), colorées par la vorticité. Le cœur de la zone de recirculation présente un enroulement depuis les côtés latéraux de la structure vers son intérieur et orienté vers le bas du sillage. L écoulement revient ensuite depuis le
culot et les lignes de courant passent au-dessus de la lunette et l impactent, formant la zone de recirculation au-dessus de la lunette. Dans le cas contrôlé, la région de recirculation présente des niveaux de vorticité particulièrement forts au-dessus de la lunette, même comparés à ceux observés au sein de la structure longitudinale dans le cas de référence (figure 5). 4 Conclusion Des mesures par Vélocimétrie Volumétrique 3 composantes (V3V) ont été réalisées afin d approfondir la compréhension de la modification de la topologie de l écoulement induite par un déflecteur place sur l arête supérieure de la lunette arrière d un modèle de véhicule, comme étudié précédemment par Fourrié et al. [6]. La technique V3V permet la mesure du champ de vitesse tridimensionnel au-dessus de la lunette arrière. Un écoulement plus complexe qu observé précédemment est mis en évidence lorsque le dispositif de contrôle de l écoulement est utilisé. Des iso-surfaces de vorticité permettent de visualiser les structures de l écoulement et d identifier les différentes régions contribuant à la réduction de traînée. Ces résultats montrent le phénomène de compétition existant entre les structures tourbillonnaires longitudinales et l écoulement décollé au-dessus de la lunette : l amplification de l une des structures entraîne la destruction des autres. Les mesures présentées ici sont les premières mesures volumétriques de l écoulement tridimensionnel autour d un corps de Ahmed et mettent en évidence le fort potentiel de la technique V3V pour l étude de configurations complexes d écoulements tridimensionnels. Références [1] S.R. Ahmed, G. Ramm et G. Faltin, «Some salient features of the time-averaged ground vehicle wake», SAE Paper 840300, 1-31, (1984). [2] A. Spohn et P. Gilliéron, «Flow separations generated by a simplified geometry of an automotive vehicle», UTAM Symposium on unsteady separated flows, Toulouse, France, 1-6, (2002). [3] J.L. Aider, J.F. Beaudoin et J.E. Wesfreid, «Drag and lift reduction of a 3d bluff-body using active vortex generators», Experiments in Fluids 48(5), 771-789, (2010). [4] A. Brunn, E. Wassen, D. Sperber, W. Nitsche et F. Thiele, «Active drag control for a generic car model», Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design 95, 247-259, (2007). [5] P. Gilliéron et A. Kourta, «Aerodynamic drag reduction by vertical splitter plates», Experiments in Fluids 48(1), 1-16, (2010). [6] G. Fourrié, L. Keirsbulck, L. Labraga et P. Gilliéron, «Bluff-body drag reduction using a deflector», Experiments in Fluids 50(2), 385-395, (2011). [7] C.E. Willert et M. Gharib, «Three-dimensional particle imaging with a single camera», Experiments in Fluids 12(6), 353-358, (1992). [8] F. Pereira, M. Gharib, D. Dabiri et D. Modarress, «Defocusing digital particle image velocimetry: a 3- component 3-dimensional DPIV measurement technique. Application to bubbly flows», Experiments in Fluids 29( suppl 1), S078-S084, (2000). [9] F. Pereira, H. Stüer, E.C. Graff et M. Gharib, «Two-frame 3D particle tracking», Measurement Science and Technology 17 (7), 1680-1692, (2006). Remerciement Le présent travail de recherche a été financé par le Campus International sur la Sécurité et l Intermodalité des Transports, la Région Nord-Pas-de-Calais, la Communauté Européenne, la Délégation Régionale à la Recherche et à la Technologie, le Ministère de l Enseignement Supérieur et de la Recherche et le Centre National de la Recherche Scientifique. Les auteurs remercient le soutien de ces institutions.