Réduction active de la trainée aérodynamique. Contrôle des sillages : du véhicule de tourisme au grand routier – ACTIV_ROAD

Le projet est structuré en quatre tâches distinctes portant chacune sur des développements spécifiques.
T1 - Réduction de trainée par perturbation à haute fréquence. Etude de sillages turbulents sur maquette 3D
L’étude approfondie des effets de jets pulsés sera réalisée sur une maquette académique dans une soufflerie à Pprime. Des méthodes de contrôle maîtrisées permettront la recherche de paramètres optimaux pour identifier les configurations d‘intérêt et leur appliquer des outils d’analyse fins (PIV, mesures de pression instationnaire).
T2 Caractérisation des jets pulsés et adaptation des lois de commande
On utilisera un type d’électrovanne de fréquence maximale de fonctionnement est 900 Hz. Les temps caractéristiques de l’écoulement pulsé seront mesurés expérimentalement. Enfin, l’adaptation des lois de commande sera menée par Ampère pour permettre la gestion de l’évolution temporelle du flux de vorticité injecté dans l’écoulement à contrôler
T3 Robustesse et contrôle adaptatif
L’objectif de cette tâche est d’implémenter des méthodes de contrôle actif innovantes complémentaires à celles mises en œuvre en T1, en s’appuyant sur les résultats qui y ont été obtenus pour proposer des systèmes en boucle fermée. La robustesse du contrôle sera étudiée (vitesse infinie amont avec variations temporelle, épaisseur des couches limites sur les parois de la maquette)
T4 Vers les applications industrielles
Les stratégies de contrôle envisagées seront adaptées aux spécificités de l’application visée (véhicule de tourisme, poids lourd). Des lois d’échelle sur les paramètres de contrôle permettant d’obtenir un gain en traînée seront établies. Des essais à grand nombre de Reynolds, dans une soufflerie industrielle, porteront sur une configuration représentative de véhicule de tourisme ; une adaptation de la maquette générique permettra de prolonger l'étude par l’analyse des applications poids-lourds.

Les premiers 18 mois du projet ont permis l’obtention de premiers résultats :
- Réalisation de la maquette d’essais (T1) qui comporte des défis techniques significatifs (modularité sur rapport d’aspect, design des jets de contrôle, intégration de jets de contrôle sur l’intégralité de la périphérie du culot de la maquette).
- Intégration de la maquette dans la soufflerie S620 à Pprime, avec couplage à une balance à capteurs piézométriques (très bonne précision de mesure).
- Caractérisation fine de l’écoulement en sortie de fente de jets de contrôle, mettant en évidence des effets pneumatiques peu regardés dans ce domaine jusqu’alors. Mise en oeuvre de différentes techniques expérimentales pour une caractérisation temporelle (anémométrie fil chaud) et spatiale (PIV 2D-2C).
- Mise en oeuvre de simulations numériques pour conforter le design choisi pour le nez de la maquette (objectif : éviter les décollements pour maîtriser le développement de la couche limite le long des parois de la maquette).
- Réalisation d’une électronique de commande spécifique, sur laquelle les paramètres de commande peuvent être ajustés, en particulier l’intensité du courant de maintien de l’ouverture de l’électrovanne et la durée de l'impulsion de courant permettant l'ouverture de l'électrovanne. Généralisation de ce procédé pour la fabrication de 32 voies de commandes réparties dans 8 boitiers permettant de piloter indépendamment les électrovannes par groupe de quatre.
- Campagne d’essais dans la configuration correspondant au cas où la maquette a son côté large aligné avec le sol, après l’assemblage des éléments d’électronique, de contrôle pneumatique et d’instrumentation dans l’environnement de la maquette. Résultats prometteurs même pour les valeurs élevées de vitesse Uinf, cibles pour les applications de véhicule de tourisme

On vise ici une meilleure compréhension des phénomènes aérodynamiques liés au contrôle d’écoulement à l’arrière d’un corps non profilé. Le lien entre l’injection à haute fréquence de perturbations à proximité d’une paroi ajoutée à l’arrière d’un corps à culot droit, le développement de la couche de cisaillement en aval et la valeur de la pression moyenne dans la zone de recirculation n’est pas établi et est un prérequis à la proposition de stratégies pertinentes. D’autre part, ce lien dépend très certainement du rapport d’aspect du corps étudié et de la vitesse de soubassement, dans des proportions à préciser pour permettre les applications dans le secteur du véhicule personnel ou dans celui du véhicule poids lourd.
Les retombées techniques attendues correspondent, à terme, à l’intégration de dispositifs actifs de réduction de traînée aérodynamique pour les véhicules particuliers et les véhicules grand routiers lors de l’étape de conception de la partie arrière de ces véhicules. Toutefois, ces évolutions technologiques ne seront possibles qu’après une phase de développement propre à chaque application et constructeur, sur la base des résultats obtenus dans ce projet orienté vers la compréhension des mécanismes physiques et la détermination de la robustesse de ces techniques de contrôle.
Enfin, sur le plan économique, le gain de traînée attendu sur les maquettes représentatives des configurations industrielles correspond à un gain en consommation très significatif de plusieurs pourcents. Il est à souligner que, compte-tenu des spécificités de l’exploitation des véhicules poids lourds par exemple, une réduction de consommation du pourcent est tout à fait significative vis-à-vis des objectifs industriels. Pour les véhicules de tourisme, voire utilitaires, des réductions de traînée de l'ordre de 5 à 10% et une meilleure adaptabilité aux conditions de circulation peuvent être visés pour ces configurations à culot droit, ce qui est très significatif.

Les essais réalisés récemment et l’analyse des données disponibles devraient offrir prochainement des possibilités de publication dans les revues scientifiques du domaine.

Ce projet porte sur l’amélioration des performances aérodynamiques de véhicules terrestres. La réduction de la trainée aérodynamique associée à ces corps non profilés est un enjeu énergétique majeur associé à des conséquences environnementales et sociétales significatives. Dans de nombreux cas, la forme arrière du véhicule, tant pour les poids lourds que pour une grande classe de véhicules particuliers, correspond à un culot droit et conduit au développement d’un sillage turbulent marqué par une bulle de recirculation associée à une zone de faible pression. Il en résulte une perte énergétique qui s'accroît avec la vitesse du véhicule. L’objectif du projet est l’exploitation d’une stratégie spécifique de contrôle d’écoulement pour augmenter la pression au culot et ainsi diminuer la trainée. La méthode de contrôle proposée dans le projet s’appuie sur une composante passive (volets plats ou courbés) et une composante active qui consiste en l’injection à proximité immédiate du culot de la maquette étudiée de perturbations à haute fréquence par utilisation de jets pulsés. Selon des expérimentations préliminaires, l'action combinée de ces deux composantes conduit à des modifications significatives de l’écoulement de sillage, telles que la déflection des lignes de courant moyennes, favorable à une augmentation de la pression de culot, une modification progressive avec la fréquence d’actionnement des termes du tenseur de Reynolds et de la dissipation d’énergie cinétique en chaleur dans les couches de cisaillement. L’influence de ces caractéristiques aérodynamiques sur la pression au culot du corps étudié n’est cependant pas parfaitement établie, et selon les propriétés du corps (rapport de forme, débit de soubassement) ces caractéristiques variées peuvent contribuer différemment à la modification de la pression au culot. Il est donc fondamental de déterminer, selon un protocole maîtrisé, l’effet du contrôle.
On privilégie ici une approche expérimentale pour évaluer, comprendre, modéliser et contrôler de manière robuste le gain en traînée aérodynamique. En premier lieu, des essais en soufflerie porteront sur une maquette générique permettant d’accéder à différentes valeurs de rapport de forme et débit de soubassement et intégrant, à proximité d’une paroi rajoutée complétant le culot droit, des actionneurs de dernière génération capables de générer des jets pulsés à haute fréquence avec la maîtrise de la circulation des échelles injectées. Ces essais s'accompagneront de la mise en œuvre de stratégies de contrôle de complexité croissante, de la boucle ouverte à la boucle fermée robuste, au service de la compréhension des phénomènes physiques et de la découverte de nouvelles stratégies de contrôle par l’utilisation de méthodes d’apprentissage automatiques. Des simulations numériques ciblées aideront au dimensionnement de la maquette et à l’examen approfondi de l’écoulement de référence sans contrôle. L’ensemble des résultats obtenus permettront d’extraire les paramètres caractéristiques pertinents pour établir des lois d’échelle exprimant les conditions sous lesquelles le contrôle est favorable à une réduction de trainée. De plus, compte-tenu des applications industrielles visées, il est indispensable de déterminer la robustesse des effets du contrôle vis à vis des paramètres que sont la vitesse d’écoulement et les variations temporelles de celle-ci, l’épaisseur de couche limite ou encore la mise en dérapage. Ces éléments rendront possible l’estimation des gains de traînée offerts par le contrôle, qu’il s’appuie sur des actionneurs pneumatiques ou sur d’autres technologies d’actionneur, sur des cycles de roulage normalisés.