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L’AERODYNAMIQUE, UNE SCIENCE AU SERVICE DE L’AUTOMOBILE
L’AERODYNAMIQUE, UNE SCIENCE AU SERVICE DE L’AUTOMOBILE
Cela fait bien longtemps que l’Homme a commencé à s’intéresser à l’écoulement de l’air. Cela semble logique puisque c’est en effet l’élément qui nous entoure directement. Cependant, il a fallu près de 5 000 ans pour passer de l’étude des phénomènes de l’écoulement de l’air dans des cas simples, à leurs diverses applications, que ce soit dans le domaine de l’aviation ou de l’automobile. C’est au XIXème siècle que la théorie scientifique leva les derniers obstacles aux progrès dans ce domaine. Depuis lors, les connaissances et les moyens techniques ont évolué de concert. La gestion de l’écoulement de l’air sur des surfaces définies par l’Homme évolua par bonds successifs, à l’instar de n’importe quelle autre science. D’abord utile dans le domaine de l’aviation, elle fut ensuite appliquée à l’automobile.
En effet, dès que les véhicules furent capables d’atteindre des vitesses suffisamment élevées, l’absence de carrosserie fit que les conducteurs sentaient l’air leur fouetter le visage. On a alors cherché à réduire la traînée par l’amélioration des formes de la voiture. L’aérodynamique est le nom donné à cette science qui étudie donc les modifications que subit l’air lorsqu’un corps solide le traverse, ou lorsqu’il s’écoule le long d’une surface quelconque. Mais au-delà de l’objectif initial de compréhension de ces phénomènes, l’aérodynamique est aujourd’hui beaucoup utilisée en automobile également pour en améliorer les performances ou le confort, voire à des fins commerciales (notamment lorsque la réduction des émissions polluantes de la voiture est évoquée). Il est cependant intéressant de constater que malgré les nombreux développements apportés à l’informatique, l’aérodynamique reste une science éminemment empirique. Les équations gérant ces phénomènes pouvant vite devenir très complexes, seuls les cas simples peuvent être traités informatiquement.
Les composantes de la trainé
La traînée aérodynamique est constituée de 5 composantes fondamentales : La traînée de forme : Elle représente la résistance provoquée par la forme de base du véhicule : elle est donc fonction de ses proportions et de sa taille. On l’exprime par l’énergie requise pour séparer les molécules d’air lors du passage de la voiture. C’est pourquoi elle est influencée par la distance séparant les molécules, ainsi que par l’angle de déviation que leur impose le véhicule en question. Lorsque la voiture se déplace, et même sans tenir compte des autres turbulences qu’elle engendre, elle provoque une déviation de chaque molécule d’air selon une ligne. C’est la ligne de courant du filet d’air. Elle peut être déterminée visuellement, par exemple en utilisant de la fumée émise dans l’écoulement. Si l’écoulement est régulier, stabilisé et non perturbé, ces lignes de courant sont parallèles, et se rapprochent beaucoup les unes des autres à l’endroit du véhicule qui présente la section la plus importante. On appelle cette section la surface frontale du véhicule, ou son maître couple. Elle correspond à la projection de la trace du véhicule sur un plan perpendiculaire à son axe longitudinal. Des expériences ont montré que des solides, disposant d’une même surface frontale, mais présentant des formes différentes, n’ont pas forcément la même traînée aérodynamique globale. Ceci est dû au fait que la déflection des filets d’air n’est pas la même d’une forme à l’autre… Ainsi, pour chaque forme particulière, l’énergie absorbée est différente. Cependant, la carrosserie d’une voiture ne pourra jamais être totalement dépourvue d’aspérités qui dissocient les filets d’air, ou créent parfois de violents tourbillons. D’un point de vue énergétique, l’énergie qui est absorbée par ces divers remous doit évidemment être ajoutée à la traînée totale.
La traînée de frottement : Généralement, l’air est très peu visqueux, c’est-à-dire que la résistance qu’opposent les molécules quand on essaye de les dissocier est faible. Cependant, lorsqu’il est soumis à une forte pression, ces effets deviennent non négligeables. La traînée de frottement est la résistance aérodynamique provoquée par cette viscosité cinématique de l’air. On peut voir cela comme une sorte de frottement superficiel qui croît avec la taille de la surface exposée à l’écoulement de l’air. C’est pourquoi, rallonger une voiture sans aucun autre changement, provoque une augmentation de sa traînée totale. Les vitesses des molécules peuvent varier d’une couche à l’autre de l’écoulement d’un fluide : il y a alors un phénomène de cisaillement, comme lorsqu’un paquet de cartes glisse sur lui-même. Ce phénomène intervient lors du déplacement d’une voiture dans l’air : la vitesse de chacune de ces couches varie selon la distance à la carrosserie. Les molécules d’air auront alors tendance à migrer des plus rapides vers les plus lentes, ce qui entraîne un transfert d’énergie cinétique, et une transformation en énergie thermique. On définit l’épaisseur de la couche limite comme la distance entre la surface de la carrosserie et le point non perturbé le plus proche de cette dernière. On définit également le gradient de vitesse comme la variation de cette dernière perpendiculairement aux couches en déplacement. On remarque d’ailleurs que cette variation dépend de la valeur du frottement de l’air sur la carrosserie, et qu’elle peut devenir assez élevée pour créer des turbulences qui vont absorber de l’énergie.
La traînée induite : Des expériences ont montré que des formes asymétriques entre le haut et le bas du vehicule qui se déplacent dans l’air créent des pressions elles-mêmes asymétriques. Cela engendre donc des forces verticales, généralement orientées vers le haut : on parle alors d’un phénomène de portance. L’apparition de ces forces requiert de l’énergie, ce qui provoque une augmentation de la traînée aérodynamique : c’est la traînée de portance induite. On peut également dire que cette force n’est finalement que la composante horizontale de la poussée aérodynamique. A la manière d’une aile d’avion, les vitesses d’écoulement différentes entre le dessus et le dessous de la carrosserie provoquent une différence de pression qui a tendance à soulever la voiture. On verra qu’il existe des techniques permettant de réduire cette portance, voire de la rendre négative. On parlera alors de déportance. En automobile, cette différence de vitesse est en fait obtenue par l’accélération des flux d’air passant au-dessus de la voiture. En effet, ce flux d’air a une distance à parcourir plus longue que celui passant au-dessous du véhicule. La différence de pression s’explique alors par la dépression subie par l’air accéléré. Les conséquences de ce phénomène ne sont heureusement pas inquiétantes pour le conducteur avant environ 100 km/h. Au-delà de cette limite, on constate un effet d’allègement de la direction, et le véhicule est alors susceptible d’être déstabilisé par le vent latéral, ce qui peut se traduire par de légères déviations de trajectoire.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I :L’AERODYNAMIQUE, UNE SCIENCE AU SERVICE DE L’AUTOMOBILE
1.1 Introduction
1.2 Modélisation de l’écoulement de l’air
a)Torseur aérodynamique
-Généralités
-Dans l’automobile
b) Coefficient des forces et des moments
c) La relation d’ONORATO
d) Les composantes de la trainée
-La traînée de forme
-La traînée de frottement
-La traînée induite
-La traînée d’interférence
-La traînée interne
e) Corps profilés/corps mal profilés : impact
f) Processus de décollement
-Structures élémentaires de l’écoulement décollé bidimensionnel
-Aspect instationnaire
-Instabilité de Kelvin-Helmholtz, et « Pairing
-Battement de la couche cisaillée
-Oscillation de la zone de recirculation
1.3 le contrôle du décollement
a) Contrôle passif
-l’optimisation de forme
– Appendices aérodynamique
-Générateur de vortex
-Adjonction de parois poreuses
-Soufflage tangentiel
b) Contrôle actif
-Ailerons rétractables et les générateurs de vortex
-Les parois mobiles
-Actionneur plasma
-Jet synthétique
CHAPITRE II:MODELISATION DE LA TURBULENCE
II.1. Introduction
II.2. Turbulence dans un écoulement
-Le nombre de Reynolds
II.3. Le détachement tourbillonnaire dans un sillage
a) Nombre de Strouhal
b) Allée de Bénard-Karman
II.4. Instabilités de Kelvin-Helmholtz et couche de cisaillement
a) Structure de la couche limite turbulente
b) Région interne
-Sous-couche visqueuse
-Région de tampon (buffer layer
-Région inertielle logarithmique
c) Région externe
II.5. Échelles de la turbulence et cascade de Kolmogorov
II.6. Simulation des écoulements turbulents
a) La Simulation Numérique Directe (DNS
b) La Simulation des Grandes Echelles (LES
c) La simulation RANS
II.7. Mise en équations
a) Equation de continuité
b) Equation de quantité de mouvement ( de Navier Stokes
c) Equations et contraintes de Reynolds
-Equations
d) Equation d’énergie
e) Problème de la fermeture
-Modèle k-ε
-Equation de l’énergie cinétique
-L’équation de transport de taux de dissipation de l’énergie cinétique turbulente
-Modèle ω−K
-modèle ω−kSST
CHAPITRE III : RESOLUTION NUMERIQUE
III. 1 Qu’est-ce que la CFD
III.2 Méthodes numériques
a) Méthode des volumes finis
b) Intégration des équations de transport
c) discrétisation spatiale
d) Algorithme de couplage vitesse pression
e) sous relaxation
II.3. Notice d’utilisation de Gambit
a) Menu création des éléments de la géométrie
-Menu point
-Menu ligne
-Menu maillage
b) Choix du type de maillage
-Maillage structuré (quadra /hexa
-Maillage non structuré (tri/tétra
c) Conditions aux limites
III.4. Notice d’utilisation de Fluent
a) Choix du schéma de discrétisation
b) Initialisation
c) Les critères de convergence
CHAPITRE IV :RESULTAT ET DISCUSSIONS
1. Géométrie, conditions aux limites et Approches numériques
2. Résultats et Interprétations
a) Choix du maillage
b) Structure de l’écoulement sans contrôle
c) Structure de l’écoulement avec contrôle
-Comparaisons des lignes de courant
-Vecteurs de Vitesse
-contours de pression
-coefficient de pression (cp
CONCLUSION
BIBLIOGRAHIQUE
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