Stratégie innovante d'optimisation de la traînée aérodynamique en temps réel pour l'amélioration de l'efficacité énergétique des voitures

Innovative Real-Time Aerodynamic Drag Optimization Strategy for Enhancing Vehicle Energy Efficiency

• Auteur / Autrice : Agostino Cembalo
• Direction : Jacques Borée, Patrick Coirault, Clement Dumand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance le 20/06/2024
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Stellantis
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime [UPR 3346] / PPrime [Poitiers]
• Jury : Président / Présidente : Xavier Moreau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Braud, Martin Passmore
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Moreau, Olivier Cadot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sillage (aérodynamique)

Turbulence de sillage

Traînée (aérodynamique)

Gaz à effet de serre -- Réduction

Essais en soufflerie aérodynamique

Écoulement de culot (aérodynamique)

Décomposition orthogonale aux valeurs propres

Automobiles -- Carburants -- Consommation

Automobiles -- Aérodynamique

Mots clés libres

Tests sur route

Tests sur circuit

Pression au culot

Contrôle récursif

Réduction de la traînée

Contrôle adptatif de l'écoulement

Road testing

Track testing

Base pressure

Recursive control

Drag reduction

Adpatative flow control

Résumé

La réduction des émissions de CO2 et de l’empreinte environnementale représente un défi majeur pour l’industrie automobile au XXIe siècle, avec environ 72% des émissions de gaz à effet de serre dans le secteur des transports européens attribuées au transport routier. Pour répondre à cette problématique, les constructeurs automobiles mettent de plus en plus l’accent sur la réduction de l'empreinte environnementale de leurs véhicules ainsi que sur la minimisation de la consommation d'énergie. Dans cette optique, l'aérodynamique des voitures joue un rôle crucial. Cette étude explore donc les défis et opportunités associés au contrôle en temps réel du sillage des véhicules en utilisant une commande prédictive avec une estimation récursive du modèle basée sur la méthode des sous-espaces (RSPC). Nous caractérisons tout d'abord le sillage d’une voiture en pleine échelle, à la fois en soufflerie et sur route. Les résultats soulignent l'importance des phénomènes à basse fréquence et des mouvements quasi-statiques du sillage. Ensuite, nous mettons en œuvre une méthodologie de contrôle visant à réguler les positions angulaires de volets rigides situés au culot des modèles étudiés afin de maintenir un état de pression imposé au culot. Parmi les résultats significatifs, nous notons que la loi de commande parvient à atteindre les objectifs définis dans des conditions variées, y compris face à des variations d'angle de dérapage et des perturbations de l'écoulement de soubassement grâce à l'utilisation d'une grille mobile placée en amont du véhicule. Les bénéfices observés en termes de traînée aérodynamique sont remarquables et dépendent du modèle étudié, tout en maintenant une consommation énergétique relativement faible. En effet, la consommation énergétique du système varie entre 0.35% et 0.6% de la puissance aérodynamique dissipée. En conclusion, cette étude ouvre de nouvelles perspectives pour le contrôle aérodynamique des véhicules, offrant des opportunités significatives de réduction de la consommation d'énergie et, par conséquent, des émissions de gaz à effet de serre. Elle essaye ainsi de contribuer à atténuer les effets du changement climatique.

The reduction of CO2 emissions and environmental footprint represents a major challenge for the automotive industry in the 21st century, with approximately 72% of greenhouse gas emissions in the European transportation sector attributed to road transport. To address this issue, automotive manufacturers are increasingly focusing on reducing the environmental footprint of their vehicles and minimizing energy consumption. In this context, car aerodynamics plays a crucial role. This study therefore explores the challenges and opportunities associated with real-time control of vehicle’s wakes using a Predictive Control with Recursive model estimation based on a Subspace method (RSPC). We first characterize the wake of a full-scale vehicle, both in wind tunnel and on-road. The results highlight the importance of low-frequency phenomenons and quasi-static wake movements. Subsequently, we implement a control methodology aimed at regulating the angular positions of rigid flaps located at the base of the studied models to maintain a prescribed base pressure state. Among the significant results, we note that the control law succeeds in achieving defined objectives under varied conditions, including variations in yaw angle and disturbances in the underflow through the use of a movable grid placed upstream of the vehicle. The observed benefits in terms of aerodynamic drag are remarkable and model-dependent, while maintaining relatively low energy consumption. The latter varies between 0.35% and 0.6% of the dissipated aerodynamic power. In conclusion,this study opens new perspectives for vehicle aerodynamic control, offering significant opportunities for energy consumption reduction and, consequently, greenhouse gas emissions. It thus aim to mitigating the effects of climate change.