Caractérisation et contrôle actif de la traînée aérodynamique d’un corps épais pour différentes hauteurs de garde au sol : application au transport automobile

Characterization and active control of the aerodynamic drag of a bluff body for different ground clearance heights : application to automotive transport

• Auteur / Autrice : Baptiste Plumejeau
• Direction : Sébastien Delprat, Laurent Keirsbulck, Wafik Abassi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 19/11/2020
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille ; 1992-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (Valenciennes, Nord ; 1994-...)
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Harion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Delprat, Laurent Keirsbulck, Wafik Abassi, Lucien Baldas, Bérengère Podvin, Pierre Melchior
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lucien Baldas, Bérengère Podvin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Dynamique des fluides

Automobiles -- Aérodynamique

Mots clés libres

Contrôle actif d’écoulements

Actionneurs fluidiques

Caractérisation dynamique

Interactions de sillage

Bi-Stabilité

Active flow control

Fuid actuators

Dynamic characterization

Wake interactions

Bistability

Résumé

Comme il est admis dans la littérature, l’écoulement autour d’un corps épais rectangulaire peut induire, sous certaines conditions, un comportement bistable (asymétrie de sillage). Cette bi-stabilité apparait à partir d’un nombre de Reynolds critique et dépend fortement de la hauteur de garde au sol (débit de sous-bassement). Le corps considéré dans cette thèse est un modèle simplifié de véhicule automobile appelé corps d’Ahmed à culot droit présentant un rapport d’aspect largeur/hauteur de 1.35. Des mesures de champs de vitesse dans les plans horizontaux et verticaux ainsi que de pression et de forces (dérive et traînée) ont été réalisées en vue de caractériser et par la suite contrôler l’asymétrie du sillage. Tout d’abord, différents nombres de Reynolds et hauteurs de garde au sol ont été étudiés et ont permis de définir les paramètres critiques associés à l’apparition du phénomène de bi-stabilité du sillage aérodynamique (latérale dans notre cas). Cette étude préliminaire a permis notamment de souligner l’altération des modes globaux induits dans le sillage lors du passage d’une configuration stable à bistable. La seconde partie de l’étude a consisté à réduire la trainée aérodynamique d’une configuration instable en « forçant » la symétrie du sillage. Dans un premier temps, un contrôle actif par forçage (soufflage latéral droite/gauche) a permis de souligner l’effet favorable sur la traînée d’un soufflage bilatéral continu. Avec un rapport de vitesse d’injection/écoulement extérieur de l’ordre de 0.35-0.4, une réduction de traînée a été observée pouvant aller jusqu’à 2.5%. Par la suite, en vue notamment de réduire la puissance d’actionnement, une nouvelle approche de contrôle actif d’écoulement avec retour d’état basée sur une méthode algébrique couplée à un observateur linéaire, est mise en œuvre. Les premiers résultats mettent en avant une réduction de traînée de 2.5% avec une réduction de la puissance d’actionnement de plus de 50%. Finalement, un démonstrateur instrumenté (véhicule réel) a été réalisé en vue de transposer les preuves de concept de contrôle (sur maquette) aux essais sur route/piste. Des essais préliminaires très encourageants ont été réalisés et ont permis de caractériser le sillage de pression à l’arrière du véhicule (retour d’état) ainsi que l’autorité du système d’actionnement sur le comportement du sillage.

As is admitted in the literature, the flow around a rectangular bluff body can induce, under certain conditions, a bistable behavior (wake symmetry breaking). This bistability appears from a critical Reynolds number and strongly depends on the ground clearance height (subbase flow rate). The body considered in this thesis is a simplified car model called squareback Ahmed body with a width/height aspect ratio of 1.35. Measurements of velocity fields in the horizontal and vertical planes as well as pressure and forces (drift and drag) were made to characterize and subsequently control the asymmetry of the wake. First of all, different Reynolds numbers and ground clearance heights were studied and allowed to define the critical parameters associated with the appearance of the phenomenon of bi-stability of the aerodynamic wake (lateral in our case). This preliminary study permit to highlight the alteration of the global modes induced in the wake during the transition from a stable to bistable configuration. The second part of the study was to reduce the aerodynamic drag of an unstable configuration by ''forcing'' the symmetry of the wake. Initially, an active forcing control (right/left lateral blow) permit to emphasize the favourable effect on drag of a continuous bilateral blow. With an outward injection rate/flow ratio of the order of 0.35-0.4, a drag reduction of up to 2.5% was observed. Subsequently, in order to reduce the actuating power in particular, a new approach to active flow control with callback signal based on an algebraic method coupled to a linear observer is implemented. The first results put forward a drag reduction of 2.5 % with a reduction of the operating power of more than 50%. Finally, an instrumented demonstrator (real vehicle) was built in order to transpose the proof of the control concept (on model) to the road/track tests. Very encouraging preliminary tests have been carried out and have made it possible to characterize the pressure wake at the rear of the vehicle (return of condition) as well as the authority of the actuation system on the behaviour of the wake.