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CONTRIBUTION A L'ANALYSE ET AU CONTROLE DES SILLAGES DE CORPS EPAIS PAR ASPIRATION OU SOUFFLAGE CONTINU

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Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8

  • redaction


N° d'ordre 2348 THESE présentée pour obtenir LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE École doctorale : Transferts, Dynamique des Fluides, Energétique & Procédés Spécialité : Dynamique des Fluides Par M. ROUMEAS Mathieu Titre de la thèse CONTRIBUTION A L'ANALYSE ET AU CONTROLE DES SILLAGES DE CORPS EPAIS PAR ASPIRATION OU SOUFFLAGE CONTINU Soutenue le 16/06/06 devant le jury composé de : M. Pierre LALLEMAND Président MM. Azeddine KOURTA. Directeur de thèse Patrick GIILIERON Directeur de thèse Jean-Paul BONNET Rapporteur Charles-Henri BRUNEAU Rapporteur Jean-Claude COURTY Membre

  • capitale mondiale du foie gras de canard aux figues

  • n° d'ordre

  • contrôle actif

  • recherche de solutions de contrôle

  • direction de la recherche

  • jeune stagiaire

  • titre de docteur

  • ordre d'apparition

  • jeunes docteurs dans la force de l'âge


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Nombre de lectures 50
Langue Français
Poids de l'ouvrage 5 Mo

Exrait

N° d’ordre 2348








THESE


présentée

pour obtenir

LE TITRE DE DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE



École doctorale : Transferts, Dynamique des Fluides, Energétique & Procédés

Spécialité : Dynamique des Fluides


Par M. ROUMEAS Mathieu


CONTRIBUTION A L’ANALYSE ET AU CONTROLE DES SILLAGES DE CORPS EPAIS Titre de la thèse
PAR ASPIRATION OU SOUFFLAGE CONTINU




Soutenue le 16/06/06 devant le jury composé de :


M. Pierre LALLEMAND Président

MM. Azeddine KOURTA. Directeur de thèse
Patrick GIILIERON hèse
Jean-Paul BONNET Rapporteur Charles-Henri BRUNEAU
Jean-Claude COURTY Membre


REMERCIEMENTS


La chronologie d’une thèse est ainsi faite que c’est avec cette première page que s’achève la rédaction du manuscrit. Aux
jeunes néo-docteurs qui se retrouvent devant la triste page blanche précédée de la mention remerciements se posent alors le
grave problème de l’ordre…. Comment classer les remerciements ? Par ordre alphabétique ? Par ordre inverse de préférence ?
Par ordre d’apparition à l’écran ?...
Les remerciements sont naturellement adressés en premier lieu aux directeurs de thèse, à l’origine de celle-ci : Patrick
GILLIERON et Azeddine KOURTA, respectivement responsable du groupe Mécanique des fluides et Aérodynamique à la
direction de la recherche de Renault et chercheur CNRS à l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse. Qu’ils soient tout
deux doublement remerciés pour leur accueil et leur disponibilité, tant sur le plan scientifique qu’humain, ainsi que leur bonne
humeur. Les nombreux conseils dispensés et les évolutions de recherche proposées ont largement contribués à la réalisation de
cette thèse.

Par la suite, et par souci d’équité, le choix de classement se porte sur la position géographique des personnes concernées,
du plus proche au plus éloigné du bureau qui a vu naître ce manuscrit.
En première ligne, telle un roc face à la marée, se tient Tanja IVANIC, jeune serbo-poitevine dont le talent scientifique n’a
d’égal que la patience qui lui a fait tenir ces quelques 2 années à essuyer humeurs massacrantes, craquages et autres folies
passagères (…). Les autres membres du groupe ne sauront jamais vraiment ce qu’ils lui doivent… L’auteur sait en revanche
qu’il lui doit la plupart des aspects pertinents de la présente étude, et de nombreux cafés ….
En revenant sur la droite, quelques dizaines de centimètres à peine nous séparent de Pierre-Emmanuel JARDY, éternel
intérimaire, futur papa (il était temps vu son âge avancé…), et pilier du groupe. L’un des derniers vestiges des années Ruche…
Et tant il est vrai qu’ils sont indissociables, on trouve également dans le même espace vital la seconde clé de voûte du groupe
(si, si, il y a bien 2 clés de voûte, n’en déplaise aux architectes….), alias Pierre BOBILLIER, double papa, futur cadre,
guitariste et linguiste émérite. Ces deux dinosaures mériteraient une page entière de remerciements pour le travail abattu, du
déboguage Word à la mise en place et la réalisation (voire la rédaction) des essais, mais la place manque. Ils se contenteront
donc de cet éloge un peu court. Et encore une fois courage et félicitation pour vos (très) prochaines réalisations respectives…
Traversons le couloir de cet open-space, pour découvrir 2 futurs docteurs : Cédric LECLERC, jeune ch’ti à la chevelure
folle et au regard vif, expert international de l’ouverture de canette de coca, et Benjamin LEHUGEUR, un spécimen très rare
qui nous vient de Auch (dans le Gers), capitale mondiale du foie gras de canard aux figues. Que dire des nombreuses pauses
cafés partagées au cours de ces trois années de thèse (qui agrémenteront encore, je n’en doute pas, l’année à venir) ? Un simple
merci ne suffit pas et le mieux est encore de n’en rien dire. Il est des choses qui se vivent mais ne s’expliquent pas.
Près de ce rassemblement de thésard, si près en fait qu’il suffit de tourner la tête, on trouve Eugénie LEVALLOIS-GOY,
chef d’un projet dont je tairais le nom, ne voulant pas finir au fond du vieux port de Guyancourt, les pieds coulés dans un boc
de béton pour avoir trahi un secret industriel. Un grand merci à elle pour son aide et sa bonne humeur, et bon courage pour
Versailles…
Une dernière fine paroi de séparation nous sépare alors de 2 jeunes docteurs dans la force de l’âge : Emmanuelle
THIVOLLE-CAZAT à qui je réitère mes félicitations pour le mois de Septembre et Quentin GALLAS, jeune stagiaire (euh,
pardon, docteur) aux multiples talents. Les échanges virils du mercredi soir resteront un grand souvenir (et je parle, bien sûr, de
Judo…).

Enfin, par delà le temps et à travers les souvenirs, on retrouve Hélène PASQUIER qui aura dispensé sa bonne humeur et
sa gentillesses (on parlerait bien d’une troisième clé de voûte, mais les architectes vont vraiment râler) pendant 2 ans avant de
s’en aller trop loin, là-bas dans le grand sud toulousain où elle ravit à n’en pas douter les thermiciens du CNES. On croise
également les nombreux stagiaires parmi lesquelles Jérôme LE SAINT, Nicolas GAUDIN et le jeune Benoît FILLIOL qui
ont laissé une trace indélébile à la direction de la recherche.

Et bien sûr, tout ceux qui ont participé aux bons (et moins bons) moments de ces 3 dernières années, que la pudeur
m’interdit de citer ici, et dont la contribution quoique non professionnelle aura été de premier ordre. Elles et Ils se
reconnaîtront. Citons juste Georges CLOONEY dont le poster, si cher à Tanja, a accompagné chaque secondes de cette
thèse…

AVANT PROPOS





L’objectif du présent travail de thèse, comme son nom ne l’indique pas, concerne la recherche de solutions de contrôle à
même de réduire la traînée aérodynamique des véhicules automobiles, c'est-à-dire leur consommation. Ce travail s’inscrit dans
un cadre plus large où industriels et universitaires collaborent à la mise au point de solutions capables de réduire les émissions
de gaz à effet de serre, conformément aux réglementations internationales, et avant tout européennes, en matière de dioxyde de
carbone.
Il serait déplacé de se lancer ici dans une diatribe sur les méfaits de l’automobile, ou du parc automobile, sur notre
écosystème ; les tribunes écologistes, suffisamment nombreuses et mieux informées, fleurissent sur Internet où ailleurs. Il
n’empêche que ce sujet peut être abordé succinctement en guise de préambule. Avant de pénétrer ce monde aux mœurs
étranges où fleurissent les cartographies de perte de pression, de vitesse ou de vorticité, avant d’évoluer en funambule sur le fil
de structures tourbillonnaires transversales ou longitudinales, avant, en un mot, de s’aventurer au sein des prochaines pages où
la réduction de traînée est reine, et le contrôle actif son roi, il convient de préciser que toute les études du monde ne
remplaceront pas un comportement citoyen, ou à défaut responsable. Pour réduire la consommation d’un véhicule, les
émissions de gaz à effet de serre, et sauver ainsi la vie des pauvres petits ours blancs des banquises, couper la climatisation,
réduire la vitesse et éviter les accélérations inutiles restent les techniques actives les plus efficaces.



RENAULT/IMFT
Doctorat d’Université, spécialité Dynamique des Fluides
Date de Soutenance : 16 Juin 2006
Mathieu ROUMEAS



Contribution à l’analyse et au contrôle des sillages de corps épais par aspiration ou soufflage continu

Le présent travail concerne l'analyse et le contrôle de l'écoulement qui se développe dans le sillage d'un véhicule automobile.
Des développements numériques et expérimentaux permettent d’identifier et de paramétrer 2 solutions de contrôle actif, par
aspiration ou soufflage continu. Pour une géométrie de type culot incliné, une solution continue d’aspiration localisée au
niveau de la ligne de séparation permet de supprimer la zone décollée qui se développe sur la lunette arrière. Les gains de
traînée associés sont de 17% pour une vitesse d’aspiration égale à 0,6 fois la vitesse de l’écoulement incident. Pour une
géométrie de type culot droit, une réduction de traînée de 29% est obtenue en appliquant une solution de soufflage continu
distribuée sur la périphérie du culot. Cette réduction est associée à une réduction de la section transversale de sillage et à une
recompression de l’écoulement au niveau du culot.

Mots clés : Contrôle / Décollement / Sillage / Aspiration continue / Soufflage continue / Traînée aérodynamique

Direction de la recherche RENAULT, groupe « Mécanique des Fluides et Aérodynamique»
Technocentre RENAULT, 1 Avenue du Golf, 78288 GUYANCOURT Cedex
Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse, Groupe EMT2
Allée du professeur Camille SOULA, 31400 TOULOUSE



Analysis and control of bluff body near-wake flow by continuous suction or blowing devices

The present study concerns the analysis and the control of an automotive vehicle near-wake flow, with the goal to reduce the
aerodynamic drag. Two active control solutions, first one by continuous suction and the second one by blowing devices, are
identified and analyzed through numerical and experimental developments.
For simplified fastback geometry, continuous suction devices located on the separation line, at the end of the roof, permit to
suppress the separated zone on the rear window, and lead to 17% of drag reduction, for a suction velocity representing 0.6
times the upstream velocity.
For simplified square-back geometry, continuous blowing devices distributed around the base periphery allow obtaining close
to 29% of drag reduction, mainly due to a reduction of the near-wake transversal section and an increase in the base static
pressure distribution.

Keywords: Control / Separation / Wake / Continuous suction / Continuous blowing / Aerodynamic drag

- Direction de la recherche RENAULT, groupe « Mécanique des Fluides et Aérodynamique»,
Technocentre RENAULT, 1 Avenue du Golf, 78288 GUYANCOURT Cedex
- Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse, Groupe EMT2
Allée du professeur Camille SOULA, 31400 TOULOUSE


TABLES DES MATIERES

PARTIE 1- INTRODUCTION GENERALE............................................................. 2
1- Problématique industrielle : l’automobile et la qualité de l’air.......................................................................1
2- Environnement et objectif de la thèse ..............................................................................................................4
3- Organisation du document ................................................................................................................................4
PARTIE 2- ELEMENTS BIBLIOGRAPHIQUES .................................................... 7
Chapitre 2.1- Aérodynamique Automobile.............................................................................10
1- Topologie de l’écoulement...............................................................................................................................11
1.1- Structure à l’avant du corps de Ahmed. ...................................................................................................................11
1.2- Structure à l’arrière du corps de Ahmed...................................................................................12
2- Expression de la traînée aérodynamique.......................................................................................................14
Chapitre 2.2- Contrôle des Ecoulements : Etat de l’Art........................................................17
1- Systèmes passifs de contrôle. ........................................................................................................................17
1.1- – Utilisation d’obstacles. .............................................................................................................................................17
1.2- – Optimisation de forme.............................................................................................................................................20
1.2.1- Plaques séparatrices transversales (PST) ...............................................................................................................20
1.2.2- Plaques séparatrices longitudinales (PSL) .............................................................................................................22
2- Systèmes actifs de contrôle............................23
2.1- Les parois mobiles.......................................................................................................................................................24
2.2- Contrôle par soufflage.............................................27
2.3- Contrôle par aspiration...........................................31
2.4- Jets synthétiques..........................................................................................................................................................32
Chapitre 2.3- Principaux résultats et discussion ..................................................................37
PARTIE 3- ETUDE NUMERIQUE ........................................................................ 41
Chapitre 3.1- Présentation du Code Utilisé............................................................................43
1- Définition de l’algorithme.................................................................................................................................44
1.1- La méthode de Boltzmann : mise en équation..........................................................................................................44
1.2- Détermination du modèle utilisé par PowerFlow.....................................................................................................45
2- Gestion des conditions aux limites.................................................................................................................47
3- Maillage et discrétisation temporelle.......................................................................................49
4- Modèle de turbulence .......................................................................................................................................51
4.1- Modèle général ............................................................................................................................................................51
4.2- Modèle de paroi...........................................................................................................52
5- Résumé des principaux aspects du code...............54
Chapitre 3.2- Etude Numérique du Contrôle par Aspiration sur une Configuration de type
Culot Incliné .............................................................................................................................55
1- Résultats préliminaires : Etude numérique 2D..............................................................................................56
1.1- Mise en place de la simulation....................................................................................................................................56
1.2- Etude paramétrique....................................................................................................................................................58
1.2.1- Influence de la position de la fente.........................................................................................................................58
1.2.2- Influence de la vitesse d’aspiration....................................61
1.2.3- Influence de la largeur de la fente .....................................................................................62
1.2.4- Influence de l’inclinaison.......................................................................................................................................63
1.3- Compréhension des mécanismes..................................65
1.3.1- Caractérisation de l’écoulement en moyenne.........................................................................................................65
1.3.2-de l’écent instationnaire ......................................................................................................68
1.4- Conclusion ...................................................................................................................................................................74
2- Etude numérique 3D – Contrôle du décollement de lunette arrière ............................................................74

2.1- Analyse de l’écoulement sans contrôle ......................................................................................................................76
2.1.1- Analyse de la zone décollée ...................................................................................................................................77
2.1.2- Analyse des tourbillons longitudinaux...................................................................................................................80
2.2- Analyse de l’influence de l’aspiration........................................................................................................................84
2.2.1- Influence de l’aspiration sur la zone décollée ........................................................................................................85
2.2.2- Influence de l’aspiration sur les structures tourbillonnaires longitudinales ...........................................................88
2.2.3- Influence de l’aspiration sur l’écoulement au culot ...............................................................................................92
2.3- Analyse de la traînée obtenue avec et sans contrôle.......................................................................96
2.4- Conclusion .................................................................................................................................................................100
3- Etude numérique 3D – Contrôle des tourbillons longitudinaux ................................................................101
3.1- Analyse de la topologie des tourbillons longitudinaux...........................................................................................101
3.2- Analyse de l’influence de l’aspiration sur les performances aérodynamiques. ...................................................106
3.3- Conclusion108
Chapitre 3.3- Etude numérique du contrôle par soufflage sur une configuration de type
culot droit ...............................................................................................................................110
1- Résultats préliminaires : Etude numérique 2D............................................................................................110
1.1- Protocole numérique.................................................................................................................................................111
1.2- Etude paramétrique.112
1.2.1- Influence du débit de soufflage ............................................................................................................................112
1.2.2- Influence de l’inclinaison du soufflage. ...............................................................................................................114
1.3- Compréhension des mécanismes..............................................................................................................................115
1.3.1- Caractérisation de l’écoulement en moyenne.......................................................................................................115
1.3.2- Analyse de l’écoulement instationnaire ...............................................................................................................117
1.4- Conclusion. ................................................................................................................................................................120
2- Etude numérique 3D : Contrôle de l’écoulement de sillage. ......................................................................121
2.1- Protocole de la simulation numérique.....................................................................................................................121
2.2- Analyse de l’écoulement sans contrôle .....................................................................................123
2.2.1- Topologie du champ moyen.................................................................................................................................123
2.2.2- Champs instantanés : étude de la couche de cisaillement ....................................................................................126
2.3- Analyse de l’influence du soufflage .........................................................................................................................128
2.3.1- Influence de l’inclinaison de la vitesse de soufflage.........................129
2.3.2- Réduction du débit soufflé ...................................................................................................................................135
2.4- Conclusion .................................................................................................................................................................137
Chapitre 3.4- Rappel des Principaux Résultats Numériques .............................................139
PARTIE 4- ETUDE EXPERIMENTALE.............................................................. 143
Chapitre 4.1- Moyens d’Essai ...............................................................................................146
1- Protocole expérimental ..................................................................................................................................146
1.1- Réalisation de la maquette et du montage...............................................................................................................146
1.2- Réalisation et étalonnage du système d’aspiration.................................................................................................147
1.3- Caractérisation de la soufflerie. ...............................................................................................................................151
2- Moyens de mesure..........................................................................................................................................152
2.1- Visualisations pariétales ...........................................................................................................................................152
2.2- Tomographie de perte de pression totale dans le sillage........................................................................................153
2.3- Sondage de couche limite..........................................................................................................................................154
2.4- Caractérisation de la vitesse d’aspiration ...............................................................................................................155
2.4.1- Anémométrie au fil chaud....................................................................................................................................156
2.4.2- Mesure de vitesse par prise de pression statique..................................................................................................157
3- Conclusion.......................................................................................................................................................158
Chapitre 4.2- Caractérisation de l’écoulement sans contrôle ............................................159
1- Identification des structures tourbillonnaires .............................................................................................159
2- Topologie des structures tourbillonnaires...................................................................................................161
2.1- Caractérisation des pertes énergétiques dans le sillage .........................................................................................161
2.2- Caractérisation de la zone décollée de lunette arrière ...........................................................................................163
3- Conclusion.....................................166
Chapitre 4.3- Caractérisation de l’influence de l’aspiration ...............................................167