À la recherche de performances maximales en compétition, l'ULiège a mené une étude aérodynamique de son véhicule basse consommation. Ce véhicule, dénommé Electra, participe à la compétition Shell Eco Marathon depuis plusieurs années.
Lorsqu'il s'agit d'étudier l'écoulement d'air autour d'un bâtiment, d'une éolienne ou d'un pont, les outils d'ingénierie du vent sont : la soufflerie aérodynamique et la simulation numérique (CFD). L'écoulement pour ce type d'application est dit 'bas-subsonique' et le fluide peut être considéré incompressible. L'aérodynamique des véhicules fait partie de cette catégorie d'écoulements. Il est donc intéressant d'utiliser les outils disponibles pour améliorer les performances du véhicule.
L'Electra est conçue pour rouler à une vitesse moyenne cible de 25 km/h et son carénage a une longueur de 2 m, ce qui correspond à un nombre de Reynolds de 1.3 106. On est donc en présence d'une transition possible entre écoulement laminaire et turbulent sur le carénage de la voiture.
Le modèle 3D utilisé pour les simulations numériques représente une version idéalisée de la voiture d'origine, dans laquelle les joints entre pièces, vis, miroirs ou cavités ne sont pas pris en compte. Un modèle réduit (échelle 1:4.6) a été imprimé en 3D pour les essais en soufflerie. Le respect de la similitude de Reynolds demande de réaliser les essais à une vitesse de 115 km/h.
Durant ces essais des mesures de forces de trainée et de pression aérodynamique ont été réalisés.
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L'objectif des essais en soufflerie est de valider les résultats de simulation numérique (RANS) et plus particulièrement (i) le maillage du domaine fluide et (ii) l'utilisation du modèle de turbulence (modèle de transition gamma Re Theta). Ce modèle permet obtenir la transition d’une couche limite laminaire à une couche limite turbulente sur la surface du véhicule. Cet effet n’est pas très important pour les corps non profilés (type bâtiments), mais son importance n’est pas négligeable dans le cas d’un corps avec une forme aérodynamique (type aile d'avion, pale éolienne), dans lequel le frottement visqueux au niveau de la paroi est important.
La comparaison des résultats expérimentaux et numériques a été réalisée sur base (i) du coefficient de trainée total du véhicule et (ii) d'une distribution de pression sur l'axe de symétrie du véhicule. L'Electra présente un coefficient de traînée de 0,166 (adimensionné à l'aide de l’aire frontale du véhicule) dans les conditions d'essais en soufflerie (route immobile).
La figure ci-dessous (à gauche) montre que la CFD mène au même résultat pour un nombre de Reynolds de 1.3 106. Les coefficients de pression calculés sont également comparables aux mesures expérimentales (figure de droite).
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Une fois les simulations numériques validées, il est possible d'étudier des cas plus complexes et réalistes (vent latéral, effet de la route, ..). On obtient alors une visualisation de l'écoulement 3D complexe qui s'établi autour du véhicule dans différentes situations étudiées. La figure ci dessous présente les lignes de courant pour un vent latéral.
Grâce à la visualisation des champs de pression, vitesse et vorticité, il est possible de mettre en évidence les possibles points d’optimisation du véhicule. L'espace entre le train avant et le train arrière s’avère le point le plus critique du véhicule, comme le montrent les images suivantes
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Pour optimiser les performances, cet espace a été occupé par une surface aérodynamique et le bord de fuite a été modifié pour éviter une zone de recirculation. L'optimisation de cette zone du véhicule a permis une réduction de la trainée de -38% par rapport à la géométrie initiale.
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En conclusion, cette étude couplant essais en soufflerie et simulation numérique a permis une meilleure compréhension de l'écoulement autour d'un véhicule. La complémentarité des deux approches mène à un outil CFD qui permet de proposer une géométrie apportant un gain significatif sur la force de trainée et la puissance perdue à cause de la composante aérodynamique.
Ce travail de Juan Manuel Calleja Vázquez a reçu un prix du meilleur mémoire de fin d'étude en 2018 en Faculté des Sciences Appliquées de l'Uliège.
Il peut être téléchargé à l'adresse suivante : http://hdl.handle.net/2268.2/4671