L’AERODYNAMIQUE, UNE SCIENCE AU SERVICE DE L’AUTOMOBILE

L’AERODYNAMIQUE, UNE SCIENCE AU SERVICE DE L’AUTOMOBILE

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 1er chapitre : L’Aérodynamique, une science au service de l’automobile 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.

La traînée d’interférence

L’ajout d’éléments et d’équipements sur une carrosserie lissée et bien profilée provoque un nouveau type de traînée : la traînée d’interférence. En effet, des accessoires aussi divers qu’une plaque minéralogique, une antenne radio ou encore une poignée de porte sont au contact de l’air et interfèrent avec lui. Cela crée des turbulences et des remous qui absorbent de l’énergie. De même, certains gestes quotidiens simples peuvent provoquer une augmentation importante de la traînée : baisser la vitre en été par exemple, ou encore installer une galerie de toit.
Des traînées d’interférence sont également créées sous le plancher de la voiture par certaines pièces mécaniques : on peut citer le système d’échappement, les suspensions…
1er chapitre : L’Aérodynamique, une science au service de l’automobile.On note à ce propos que des réductions significatives de la valeur de la traînée peuvent être réalisées en utilisant des éléments aux formes profilées, ou en positionnant le plus d’éléments possibles hors de la zone d’écoulement de l’air…

La traînée interne

Lorsqu’une voiture roule, l’air ne passe pas seulement autour de celle-ci, il passe également dedans. Il est notamment mis à contribution pour faire fonctionner des éléments mécaniques indispensables au bon fonctionnement du véhicule : le refroidissement du moteur, ou du liquide de freins par exemple. Il est aussi utilisé pour des éléments de confort tels que la climatisation.
Ces composantes de la trainée peuvent avoir une importance relative différente, ce qui permet de définir deux catégories de solides : les corps profilés, et les corps mal profilés (ces derniers pouvant également être qualifiés de corps épais).

Corps profilés/corps mal profilés : impact

Les profils d’ailes constituent un cas classique de corps profilé. Lorsqu’un solide de ce type est immergé dans un écoulement, les lignes de courant suivent la surface du corps (voir Figure 9, corps 1). Il en résulte un sillage de faibles dimensions, avec une re-compression rapide de l’écoulement en aval, conduisant à une résultante des pressions projetée dans la direction de l’écoulement négligeable et donc à une trainée principalement due aux effets de frottement.A l’inverse, pour les corps épais (cylindre, sphère, cube…), les lignes de courant ne suivent pas entièrement la surface du corps. Les gradients de pression adverses mis en jeu dans les zones de ré-compression sont en général trop importants et entrainent des décollements de couche limite (voir Figure 9, corps 2). Ces décollements génèrent alors un sillage de taille importante, empêchant une ré-compression totale de l’écoulement. La différence de pression entre l’avant et l’arrière du corps est alors très importante.
Cette classification (corps profilés / corps mal profilés) n’est cependant pas absolue, dans le sens où elle dépend également de l’orientation du corps par rapport à l’écoulement. Un profil d’aile peut par exemple être qualifié de corps mal profilé lorsqu’il est placé Page 19.1er chapitre : L’Aérodynamique, une science au service de l’automobile perpendiculairement dans l’écoulement.
Ceci amène donc à s’intéresser de plus près au phénomène de décollement et aux caractéristiques des corps mal profilés.

Processus de décollement

Le phénomène de décollement est intrinsèquement lié à la couche limite qui se développe le long d’un corps, où les gradients de vitesse et les effets visqueux sont importants. Cette couche limite est, en effet, l’interface entre la surface du corps, où la vitesse de l’écoulement est nulle (condition de non glissement), et l’écoulement, dit extérieur, où la vitesse n’est plus influencée par la paroi.
En contournant un corps, l’écoulement accélère puis décélère, produisant des zones de gradient de pression négatif favorable (la pression diminue dans le sens de l’écoulement) ou de gradient positif et donc adverse (la pression augmente dans le sens de l’écoulement).
Dans les zones de gradients de pression adverses, les forces de pression mises en jeu au sein du fluide s’opposent à l’écoulement, entrainant une diminution de la quantité de mouvement dans la couche limite. Au-delà d’une certaine distance, en fonction de l’intensité des gradients de pression mis en jeu, les vitesses proches de la paroi peuvent alors devenir nulles puis s’inverser : c’est le décollement, et la couche limite se sépare de la surface du corps.
Ce phénomène est schématisé (Figure 10). Au-delà du point de décollement, le profil de vitesse est caractérisé par une zone de vitesse négative puis positive, indiquant la présence d’une zone de Recirculation.
Ce phénomène de décollement, et, en particulier la position du point de décollement, est fortement dépendant de la nature de la couche limite, laminaire ou turbulente.
Une couche limite turbulente, dont le profil de vitesse est caractérisé par une répartition plus importante de quantité de mouvement en proche paroi, est de fait plus résistante aux forces « retardatrices » de pression et décolle donc plus en aval qu’une couche limite laminaire. Pour un corps de forme donnée, les décollements peuvent donc dépendre du nombre de Reynolds global basé sur une longueur de référence Li associé au corps, U∞ la vitesse de référence de l’écoulement non perturbé en amont du corps et μ la viscosité dynamique du fluide :

Structures élémentaires de l’écoulement décollé bidimensionnel 

Ce type de décollement résulte de l’interaction entre une couche limite décollée et une paroi solide. Schématisé (Figure 11), ce type de décollement prend souvent le nom de bulle de recirculation, bulbe décollé ou encore décollement partiel.
Sa formation résulte du décollement d’une couche limite en un point particulier appelé point de décollement (noté D sur la Figure11), qui va recoller à une certaine distance en aval, à un point nommé, point de recollement (noté R sur la Figure 11). Ce recollement est conditionné 1er chapitre : L’Aérodynamique, une science au service de l’automobile par plusieurs facteurs, comme la persistance ou non du gradient de pression adverse.
Ces deux points particuliers sont reliés par une ligne caractéristique appelée ligne de courant séparatrice, qui définit en moyenne une région dans laquelle le fluide est piégé et forme un courant de retour dénommé recirculation. Cette zone est également appelée zone morte car elle n’échange pas de fluide avec l’écoulement externe.

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..51
-Modèle K −ω
-modèle k −ω SST
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
IV. 1. Géométrie, conditions aux limites et Approches numériques
IV. 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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