Phénomènes mis en jeu


1°) Génération des tourbillons / traînée induite

 

Pour ce paragraphe, on peut procéder par analogie. Le phénomène se produisant sur les bords du pare-brise d’une voiture est identique à celui que l’on observe sur l’extrémité d’une aile d’avion. Dans ces deux cas, on note une différence de pression importante qui provoque une circulation de l’air des zones de fortes pressions aux zones de faibles pressions. Ce mouvement d’air est la cause de tourbillons que l’on retrouve dans les mondes de l’automobile et de l’aéronautique.

Pour le cas nous intéressant, à savoir celui du pare-brise d’une voiture, les hautes pressions se situent au niveau du pare-brise où l’air vient ‘percuter’ la voiture avec la vitesse de celle-ci. Quant aux basses pressions, elles se trouvent sur les côtés de la voiture :

Etant donné que les phénomènes physiques sur la voiture sont symétriques, les deux tourbillons créés sont contra-rotatifs. Ces deux tourbillons interagissent, principalement en présence de vent latéral lors des conditions de conduite, et leur action provoque une traînée additionnelle que l’on appelle traînée induite.

 

Plus les tourbillons sont écartés des montants de la voiture et plus la traînée induite est importante (sillage transversal). En effet, afin de diminuer la traînée induite d’une voiture, il est donc bon recoller les tourbillons aux montants de la voiture.

 

Nous avons donc vu comment se créent les tourbillons qui provoquent la traînée induite d’une voiture, nous allons maintenant étudier les différentes possibilités de contrôle de ces tourbillons. Le contrôle est effectué à l’aide d’une ou plusieurs fentes situées le long des montants de pare-brise. On peut alors réaliser deux contrôles différents : il est possible de souffler en direction des tourbillons ou à l’inverse d’aspirer l’air.

2°) Soufflage / Aspiration

 
Soufflage :

Ces tourbillons longitudinaux sont caractérisés par un nombre adimensionnel appelé nombre de Swirl. Pour obtenir la valeur de ce nombre de Swirl, il faut connaître les champs de vitesses longitudinale Ux et azimutale Uθ. Il est alors défini comme la valeur maximale du rapport entre le mouvement de rotation (vitesse azimutale) et le mouvement d’advection (vitesse longitudinale) :

Il existe une valeur critique du nombre de Swirl Sc à partir de laquelle on considère que le jet tourbillonnaire peut éclater. Cette valeur critique est voisine de 1,5. L’éclatement du jet tourbillonnaire se traduit par une zone de recirculation de l’air située en aval d’un point d’arrêt positionné proche de l’axe tourbillonnaire.

             Lorsque l’on exerce un contrôle par soufflage en direction des tourbillons, on observe une augmentation de la vitesse azimutale Uθ et par conséquent une augmentation du nombre de Swirl. Cette augmentation du nombre adimensionnel caractérisant les tourbillons se traduit par un éclatement de la structure tourbillonnaire car la valeur critique Sc est dépassée. Cependant, l’éclatement correspond également à une augmentation des dimensions transversales du sillage et donc on obtient un coefficient de traînée aérodynamique Cx plus important, ce qui n’est pas l’effet recherché.


 

Aspiration :

 
            A l’inverse du contrôle par soufflage, on peut procéder à un contrôle par aspiration, modélisé par des vitesses négatives au niveau des fentes situées sur les montants du pare-brise. Par le biais de ce contrôle, on se rend compte que les tourbillons sont recollés à l’arrête du pare-brise. On constate également une diminution du nombre de Swirl, ce qui correspond à une diminution de l’aspect tourbillonnaire de l’écoulement. La principale conséquence du contrôle par aspiration est donc la diminution des dimensions transversales du sillage. Ceci se traduit alors par une réduction du Cx de la voiture, ce qui laisse entrevoie que le contrôle par aspiration est intéressant.