Dynamics of the unstable wake modes in automotive aerodynamics : from simplified models to real vehicles

par Guillaume Bonnavion

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides

Sous la direction de Olivier Cadot et de Denis Sipp.

Soutenue le 05-10-2018

à Paris Saclay , dans le cadre de Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux, géosciences , en partenariat avec IMSIA - Institut des Sciences de la Mécanique et Applications Industrielles (laboratoire) , école nationale supérieure de techniques avancées (établissement opérateur d'inscription) et de Institut des Sciences de la mécanique et Applications industrielles / IMSIA - UMR 9219 (laboratoire) .

Le président du jury était Jacques Borée.

Le jury était composé de Olivier Cadot, Denis Sipp, Thomas Castelain, Lutz Lesshafft.

Les rapporteurs étaient Annie Leroy, Jonathan F. Morrison.

  • Titre traduit

    Dynamiques des modes instables de sillages en aérodynamique automobile : des modèles simplifiés aux véhicules réels


  • Résumé

    Depuis la découverte des modes asymétriques dans le sillage d'un corps simplifié d'automobile, réminiscents d'une bifurcation à bas nombre de Reynolds, se posent des questions propres au développement aérodynamique des véhicules terrestres telles que l'influence du vent latéral, de l'assiette et du rétreint d'arrière-corps couramment utilisé en phase d'optimisation. Notre travail s'attache à répondre expérimentalement à ces questions pour des géométries simplifiées mais aussi réelles. Les essais sont réalisés en soufflerie industrielle à l'échelle 2/5 pour le corps académique et en pleine échelle pour les monospaces. Nous montrons que le désalignement du véhicule par rapport à l'écoulement incident n'a pour effet que de modifier l'orientation du mode asymétrique sans en changer l'intensité. Nous construisons un modèle simple prédisant non seulement cette orientation mais aussi les conséquences sur les efforts aérodynamiques transverses. La contribution de l'instabilité sur les coefficients aérodynamiques de portance ou d'effort latéral est de l'ordre de 0,02 indépendamment du vent de travers et de l'assiette du véhicule. Les rétreints d'arrière-corps affectent également la dynamique du sillage et son orientation, mais l'instabilité n'est jamais supprimée. Ces résultats sont retrouvés pour des véhicules réels de type monospace dont le sillage est donc également soumis au même mode asymétrique, révélé sans ambigüité par des expériences de sensibilité en assiette. Nos résultats indiquent que, pour tous les véhicules considérés, le mode asymétrique de sillage est systématiquement présent dans l'enveloppe de conduite. Le contrôle ou la suppression de ce mode devrait offrir de nouvelles perspectives d'optimisation des véhicules à culot droit de type monospaces ou SUV.


  • Résumé

    Since the recent discovery of asymmetric modes in the wake of a simplified vehicle geometry, reminiscent from a bifurcation at low Reynolds numbers, some questions related to the aerodynamic development of ground vehicles such as the influence of lateral wind, pitch and afterbody boat-tail classically used during shape optimization remain unanswered. Our work is devoted to assess those questions experimentally for simplified but also real geometries. The tests are conducted in an industrial wind-tunnel, at the 2/5-scale for the academic body and at the full scale for the minivans. We show that the vehicle's misalignment only modifies the asymmetric mode's orientation without affecting its intensity. We build a model predicting not only this orientation but also the consequences on the cross-flow aerodynamic loading. The contribution of the instability to the lift or side force coefficients is of the order of 0,02 independently of lateral wind or of the vehicle's pitch. Afterbody boat-tails also impact the wake dynamics and its orientation but the instability is never suppressed. These results are retrieved for real vehicles such as minivans, whose wake is then subjected to the same asymmetric mode as well, revealed unambiguously with pitch sensitivity experiments. Our results indicate that, for all considered vehicles, the asymmetric wake mode is systematically present in the driving envelope. The control or the suppression of this mode should offer new optimization's perspectives for blunt based vehicles such as minivans or SUVs.


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