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
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
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, 2009. = Simulations
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
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
-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
-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
Simulation ECOULEMENT AUTOUR DU MODELE DE WILLY
Modèle Willy (http://www.cnam.fr/laboaero/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.
Orientation du modèle Définitions Simulation Sol fixe Vitesse amont: V 0 = 20 m/s: = Re L = 900 000 = Re H = 256 000 Angle de dérapage β : >0 si le coté droit du modèle est le coté au vent
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 = 0.006 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 1.6 10 6 6.6 10 6 10.8 10 6 sur le modèle 30 905 102 522 205 366 sur le sol 20 848 49 857 61 313
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 0.3583 0.3665 0.3666 Simulations pour les autres angles utilisent la taille du maillage 2
Maillage Simulation Caractéristiques du maillage y + 0.65 x + 170 5 (sur le culot) 170-230 (près des pieds) z + 180 30 (sur le culot) 180-250 (près des pieds)
Informations numériques Modèle -SST Simulations instationnaires Pas de temps : t = 0.0003 s 20 itérations non-linéaires / pas de temps Nombre de pas de temps pour le moyennage entre 2 000 et 3 000 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 20 10 6 points)
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
Angle de dérapage : β = 10 Slice at X/L = 0.30 200 Simulation Z [mm] 150 100 50 V2 V3 0-350 -300-250 -200-150 -100-50 Y [mm] Iso-surface de la composante U -SST : Pression
Angle de dérapage : β = 20 Slice at X/L = 0.30 200 150 Simulation Z [mm] 100 50 V3 V2 0-350 -300-250 -200-150 -100-50 Y [mm] Iso-surface de la composante U
Angle de dérapage : β = 30 Slice at X/L = 0.30 200 150 Simulation Z [mm] 100 50 V2 0-350 -300-250 -200-150 -100-50 Y [mm] Iso-surface de la composante U
Angle de dérapage : β = 30 Coefficient de pression totale à Xo/L = 0.55 EARSM -SST Expérience 250 Cpi: 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 250 Cpi: 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 250 Cpi: 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 Simulation Zo [mm] 200 150 100 Zo [mm] 200 150 100 Zo [mm] 200 150 100 50 0 50 0 50 0-300 -200-100 0 100 200 300 Yo [mm] -300-200 -100 0 100 200 300 Yo [mm] -300-200 -100 0 100 200 300 Yo [mm] -SST : Pression totale Coefficient de pression totale à Z = -0.145 mm EARSM -SST Expérience
Coefficient de pression Courbe (A) β=10 β=20 Simulation Cp 1.0 EASM Experiments 0.5 0.0 Cp 1.0 EASM Experiments 0.5 0.0-0.5-0.5-1.0-300 -200-100 0 100 200 300 X [mm] -1.0-300 -200-100 0 100 200 300 X [mm] β=30 1.0 EASM Experiments 0.5 Cp 0.0-0.5-1.0-300 -200-100 0 100 200 300 X [mm]
Coefficient de pression Z = 50 mm β=10 β=20-0.1-0.1 EASM EASM -0.2 Experiments -0.2 Experiments -0.3-0.3 Simulation Cp -0.4 Cp -0.4-0.5-0.5-0.6-0.6-100 -50 0 50 100 Y [mm] -100-50 0 50 100 Y [mm] β=30-0.1-0.2 EASM Experiments -0.3 Cp -0.4-0.5-0.6-100 -50 0 50 100 Y [mm]
Forces 0.45 0.40 Trainée Experiments EASM -SST 0.50 0.00 Force latérale Simulation Cx 0.35 0.30 0.25 0.20-10 0 10 20 30 Yaw angle β Cy -0.50-1.00-1.50 Moment de dérapage Experiments EASM -SST -10 0 10 20 30 Yaw angle β 0.20 0.10 CN 0.00-0.10 Experiments EASM -SST -10 0 10 20 30 Yaw angle β
Simulation ECOULEMENT AUTOUR DU MODELE DE AHMED
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 =2 784 000 ou Re H = 768 000
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 = 0.007 mm (bas Reynolds) = Maillage 2 Nombre de points Maillage 1 Maillage 2 du maillage 15.5 10 6 23.6 10 6 sur le modèle 372 542 384 090 sur le sol 74 855 79 971 Simulation
Maillage Comparaison des deux maillages au niveau du toit Simulation Caractéristiques du maillage 2 y + : 0.75 x + : 250, 10-100 sur la lunette et 250-500 près des pieds z + : 180, 15-150 sur la lunette et 250 près des pieds
Informations numériques Modèles : -SST, -SST-F2 Simulations instationnaires Pas de temps : t = 0.00025 s 20 itérations non-linéaires / pas de temps Nombre de pas de temps pour le moyennage entre 2 000 et 3 000 Simulation
Lignes de courant dans le plan de symétrie Maillage 1 EARSM -SST -SST-F2 Simulation Maillage 2 EARSM -SST -SST-F2
Profils de vitesse sur la lunette arrière Maillage 1 Maillage 2 Simulation
Vitesse à X = 0 mm Maillage 1 EARSM -SST Simulation -SST-F2 Expérience
Vitesse à X = 0 mm Maillage 2 EARSM -SST Simulation -SST-F2 Expérience
Vitesse à X = 80 mm Maillage 1 EARSM -SST Simulation -SST-F2 Expérience
Vitesse à X = 80 mm Maillage 2 EARSM -SST Simulation -SST-F2 Expérience
Vitesse à X = 200 mm Maillage 1 EARSM -SST Simulation -SST-F2 Expérience
Vitesse à X = 200 mm Maillage 2 EARSM -SST Simulation -SST-F2 Expérience
Vitesse à X = 500 mm Maillage 1 EARSM -SST Simulation -SST-F2 Expérience
Vitesse à X = 500 mm Maillage 2 EARSM -SST Simulation -SST-F2 Expérience
Coefficient de pression sur le culot à Y = 0 mm Maillage 1 Maillage 2 Simulation
Coefficient de pression sur le culot à Y = 180 mm Maillage 1 Maillage 2 Simulation
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
Forces Coefficient de trainée (Cx) EARSM -SST -SST-F2 Maillage 1 0.2936 0.3185 0.3197 Maillage 2 0.2660 0.4062 0.3287 Expérience 0.285 Simulation Coefficient de portance (Cz) EARSM -SST -SST-F2 Maillage 1 0.3952 0.0879 0.3778 Maillage 2 0.0086 0.3746 0.3665
& 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