Résultats obtenus

1°) Sans contrôle

 

Pour commencer la partie présentant les résultats obtenus, il est intéressant de procéder à une analyse des tourbillons sans contrôle. Pour ce faire, nous utiliserons les critères suivants : les coefficients de pression, la vorticité, les vitesses suivant différents axes… Pour cette étude, nous avons crée plusieurs plans verticaux servant à visualiser l’évolution du tourbillon (plans d’équations x=1.1 à 1.6, le pare-brise débutant à x=1) ainsi que plusieurs droites verticales proches du montant gauche et régulièrement espacées (x=1.1 à 1.6). L’objectif principal de ce paragraphe est de localiser assez précisément la structure tourbillonnaire, en effet, le système de contrôle sera positionné en fonction de cette observation.

 

Coefficient de pression :

                 La topologie du tourbillon longitudinal est analysée dans plusieurs plans verticaux entourant le pare-brise à l’aide du coefficient de pression défini par :




    Dans chaque plan, les cartographies reportées sur la figure suivante (4.1) mettent en évidence le coeur de la structure tourbillonnaire de section quasi-circulaire associé à des pertes de pression importantes. Ce résultat montre que les tourbillons longitudinaux de montant de baie, associés à de fortes pertes d’énergie volumique (homogènes aux pertes de pression), sont responsables d’une part importante de la traînée du véhicule (Onorato, 1984).



                  On constate donc que les tourbillons sont situés sur les côtés de la voiture de part et d’autre du pare-brise. C’est donc à cet endroit qu’on a choisi d’intégrer les fentes d’aspiration / soufflage. 

                     Le graphe suivant (4.2) montre les contours de Cp sur la surface ‘voiture’ en vue de gauche, ce qui est très intéressant puisqu’on observe assez clairement le cœur tourbillonnaire (en bleu : la dépression la plus forte) et on peut mettre en évidence que le tourbillon ne suit pas exactement la ligne du montant de pare-brise mais forme avec l’horizontale un angle inférieur à celui du pare-brise. Par la suite, nous nous proposons de déterminer cet angle et de voir si la valeur obtenue correspond aux valeurs de la thèse de B. Lehugeur [1].


             Pour déterminer l’angle entre l’horizontal et l’axe tourbillonnaire (nommé Alpha Fig 4.3), Lehugeur a utilisé le critère lambda 2 (deuxième valeur propre du tenseur) qui permet de clairement identifié le cœur des structures tourbillonnaires. Grâce à cette méthode précise et à un maillage suffisamment raffiné, les résultats présentés dans la thèse établissent un angle Alpha de 22° à +/- 1°.

          Pour déterminer cet angle, nous nous proposons d’utiliser une méthode différente qui utilise la position des minima de Cp (ou minima de pertes de pression). Ces minima sont associés comme nous l’avons vu à la présence du cœur tourbillonnaire. Le graphe suivant (Fig 4.4) est obtenu en traçant le coefficient de pression sur les différentes lignes verticales que nous avons présentées précédemment. Ainsi, la position en abscisse correspond à la composante y (hauteur) et les différents tracés correspondent aux lignes x=1.1 à 1.6 où plus x est grand plus on va vers l’arrière de la voiture. On voit alors nettement que plus x est grand, plus la position en y du minima augmente, ce qui veut dire que le tourbillon forme un angle positif non nul avec l’horizontal. On peut alors déterminer cet angle.

 

 
   Grâce au graphe 4.4, on obtient le tableau suivant :

 

x

y

y

 

Pare Brise

Sans contrôle

1,1

0,25

0,24

1,2

0,31

0,3

1,3

0,36

0,35

1,4

0,42

0,4

1,5

0,48

0,45

1,6

0,53

0,5

Calcul de l'angle

30

26

 
            L’angle Alpha trouvé avec notre méthode entre l’horizontal et l’axe tourbillonnaire est d’environ 26°. Notre valeur est donc légèrement supérieure à celle avancée par B. Lehugeur, cependant la tendance est confirmée : le tourbillon formé se situe légèrement en dessous du montant de baie, il ne suit pas exactement l’angle du pare-brise. La différence entre notre valeur et celle de Lehugeur peut être expliquée par le fait que notre maillage est insuffisant et que notre méthode est sans doute moins pointue que celle dont il a fait usage.

Pour illustrer clairement nos propos, voici un tracé (Fig 4.5) de l’axe tourbillonnaire sans contrôle obtenu avec notre méthode. La ligne de pare-brise à 30° est également présente :



Vorticité :

Afin de mieux localiser les tourbillons dans l’espace autour de la voiture, il est nécessaire d’observer la grandeur ‘x-vorticity’ dans les plans présentés précédemment. La figure suivante (Fig 4.7) montre les plans verticaux vus de l’arrière de la voiture. On retrouve bien les tourbillons contrarotatifs (Ce qui est logique car l’air tend à fuir le pare-brise (zone de forte pression). Le tourbillon à la gauche de l’image ayant des valeurs négatives, son sens de rotation est opposé à celui du vortex l’autre montant.) et surtout le fait que les tourbillons se situent sur les côtés de la voiture légèrement plus bas que les montants de baie (angle < 30°).



La vorticité, qui représente le rotationnel du vecteur de vitesse, est un critère assez naturel pour identifier et localiser un vortex. Aussi, le graphe montré ci-dessus (Fig 4.8), même s’il n’est pas parfait en raison d’un maillage trop peu raffiné (cellules décalées), a l’avantage de clairement mettre en avant la forme et le centre (vorticité maximale) de la structure des tourbillons. Toutefois, en utilisant un maillage beaucoup plus fin et le critère lambda 2, Lehugeur propose dans sa thèse des visualisations un peu plus ‘parlantes’ du cœur tourbillonnaire que nous exposons ici à titre d’illustration (Logiciel Powerflow) :



z-velocity :

                Ensuite, nous avons tracé la valeur de la vitesse suivant z afin d’obtenir un ordre de grandeur la vitesse radiale des tourbillons. On observe encore clairement le caractère contrarotatif et la fuite du fluide vers les zones de plus basse pression.



    On relève une vitesse maximale suivant z de l’ordre de +/- 25 m/s. En faisant la moyenne de cette vitesse et de celle relevée à l’autre extrémité du tourbillon, on peut estimer la vitesse de rotation moyenne du vortex afin d’avoir un ordre de grandeur. On évalue, d’après les profils de vitesse obtenus, le rayon approximatif de la structure entre  5 et 10 cm, la vitesse de rotation moyenne est de l’ordre de quelques dizaines de tours par seconde suivant les différents paramètres (30 tr/s avec nos conditions et suivant les hypothèses ci-dessus). Cette étude de la vitesse azimutale peut être utile dans le cas d’un contrôle des tourbillons par éclatement. En effet, si le nombre de Swirl atteint une valeur critique de l’ordre de 1.5, le tourbillon peut éclater. Sur le graphe présenté ici, avec une vitesse maximale en z de 25 m/s et de 40 m/s suivant x, le nombre de Swirl serait environ égal à 0.5. Ce paramètre peut donc être important afin de calibrer une vitesse de soufflage. Cependant, et pour annoncer la partie suivante traitant des systèmes de contrôle sur le pare-brise, il semble que l’aspiration fournisse de meilleurs résultats en terme de réduction de traînée. Ainsi, les études concernant le nombre de Swirl et l’éclatement tourbillonnaire par soufflage n’ont pas été poussées davantage. 
            Ce paragraphe concernant l’analyse des tourbillons sans contrôle a permis d’observer les vortex à éliminer dans leur ‘état naturel’. Cette première étape a été très importante car les résultats et observations issus de cette partie ont été déterminants pour la partie Ingénierie du BEI qui consiste pour nous à installer un système de réduction de traînée par contrôle des tourbillons de pare-brise. Aussi, les parties suivantes seront plus quantitatives, en particulier, nous évaluerons précisément les gains de traînée pour chaque configuration afin de créer un système qui soit le plus efficace possible.

2°) Avec contrôle

a)      Soufflage

 
             Pour la phase de l’étude visant à mesurer l’efficacité d’un système de soufflage, nous avons utilisé les fentes décrites dans la partie sur la mise en place de la simulation. Nous avons ainsi testé différentes vitesses de soufflage. L’objectif de cette partie était de retrouver les résultats parus dans l’article : ‘Analyse de l’influence du contrôle des tourbillons longitudinaux de montants de baie sur les champs de pression pariétale en aérodynamique automobile’ [2] lors du 18ème congrès français de Mécanique (B. Lehugeur, P. Gilliéron). Cette publication montre que le soufflage au niveau du pare-brise augmente la traînée, que les tourbillons disparaissent par éclatement tourbillonnaire et qu’ils sont décalés vers le bas par rapport à leur position normale.

             Concernant la condition limite établie pour les surfaces soufflantes, nous avons utilisé une condition de type ‘velocity inlet’ avec une valeur de vitesse positive. Cette valeur est fixée suivant le cas étudié. Voici le champ de vecteurs vitesse obtenu sous Fluent, pour un soufflage à 80m/s, une largeur de fente de 4mm étalée sur 93% du montant :



Nous avons également tracé les contours de vitesse sur l’axe z dans un plan à x=1,3, afin de montrer l’influence du soufflet sur l’écoulement proche du montant. On voit nettement l’augmentation de vitesse dans la direction z sur la figure suivante :

b) Aspiration

 
            Pour cette méthode de contrôle visant à aspirer les tourbillons vers les montants de baie du véhicules, l’article ‘Analyse de l’influence du contrôle des tourbillons longitudinaux de montants de baie sur les champs de pression pariétale en aérodynamique automobile’ [2] prédisait une diminution notable de la traînée. Cette réduction est la conséquence du recollement des tourbillons sur le système d’aspiration et du contrôle de leur intensité (restant constante le long des montants).        

            Pour ce qui est de la condition limite sur le système d’aspiration, nous avons également utilisé la condition limite ‘velocity inlet’ mais définie avec une magnitude négative. Sur cette coupe de la vitesse suivant z, on voit nettement l’aspiration du fluide dans la région d’écoulement proche du système de contrôle aspirant, responsable du recollement des tourbillons.



Le contrôle de ces tourbillons entraîne comme prévu, une nette réduction de la traînée. Cette variation est plus ou moins grande selon les vitesses, tailles et longueurs de fente utilisées. Le graphique suivant récapitule les configurations étudiées et les résultats obtenus :



De manière plutôt logique, la perte de traînée engendrée par le système d’aspiration est d’autant plus grande que la surface d’aspiration est grande. La configuration où les fentes s’étalent sur 93% du montant et 8mm de largeur et aspirent à une vitesse de 80m/s entraîne une réduction de traînée de presque 13%. Nous avons choisi de ne pas essayé de pousser l’étude à des vitesses ou des débits d’aspirations supérieurs car la configuration fournissant les meilleurs résultats nous semblent déjà difficilement réalisable. La configuration étudiée par Lehugeur nous fournit elle une réduction de traînée de 4% lorsque la vitesse d’aspiration est la même que la vitesse de l’écoulement autour du véhicule, soit 40m/s.

c) Comparaison des modes de contrôle

 

            Cette comparaison des contours d’iso coefficient de pression montre bien l’effet des dispositifs de contrôle étudiés. Le système soufflant produit une augmentation du diamètre des tourbillons, jusqu’à leur explosion (non visible ici). De son coté, le système d’aspiration produit des effets assez impressionnant : l’intensité des tourbillons reste constante le long des montants et les tourbillons y restent parfaitement collé.



Nous avons également souhaité montrer de manière concrète, l’angle formant l’axe tourbillonnaire avec l’axe horizontale. Nous avons voulu comparer nos résultats avec ceux obtenus par Lehugeur et disponible dans sa thèse. Grâce à nos calculs, nous avons déterminé que l’angle formé par l’axe tourbillonnaire lorsque aucun contrôle n’est appliqué est de 26° (contre 22° pour Lehuguer), 30° lorsque l’on aspire à la vitesse de l’écoulement (idem pour Lehuguer) et 21,5° lorsque l’on souffle à la vitesse de l’écoulement (contre 19° pour Lehugeur). Nos résultats sont assez comparables à ceux obtenus par Lehugeur bien que la précision de nos calculs soit largement plus faible. L’idée à retenir est que l’angle de propagation des tourbillons est modifié par les dispositifs de soufflage (diminution de l’angle) et d’aspiration (augmentation de l’angle).



Enfin la partie, sans doute la plus importante, concerne la réduction ou l’augmentation de traînée engendrée par le système de contrôle. Comme démontré par Lehugeur, le dispositif de soufflage, lorsqu’il est placé à l’avant du véhicule sur les montants de baies, entraîne une augmentation de la traînée bien que les tourbillons soit détruits. En revanche le dispositif aspirant s’avère lui bien efficace pour réduire la traînée de la voiture. Pour une aspiration faible l’intérêt du dispositif est très réduit, mais pour des vitesses plus importantes la réduction de traînée atteint 8%.