Aujourd'hui, la politique européenne incite les industriels de l'automobile à concevoir des véhicules "propres", ainsi des normes de plus en plus contraignantes visant notamment à réduire les émissions de gaz à effet de serre ont vu le jour. Les ingénieurs sont donc amenés à envisager des solutions innovantes basées sur le contrôle des écoulements, en particulier celui des décollements puisqu'ils ont généralement des effets délétères sur les performances aérodynamiques. En effet, les phénomènes de décollement, inhérent aux corps épais, sont à l'origine de l'augmentation de la traînée et par conséquent de la consommation de carburant. Les travaux présentés dans ce mémoire sont dédiés au contrôle d'écoulement en vue de la réduction de traînée sur un modèle générique de véhicule automobile appelé "Corps de Ahmed" par une combinaison d'actionneur de type jets ynthétiques. Le mémoire s'articule autour de deux axes principaux. Le premier a permis la caractérisation d'actionneurs de type jets synthétiques, les fréquences et amplitudes optimales au regard de différents critères ont ainsi été identifiées et analysées. Le second a été consacré à étudier la réponse des structures décollés à des perturbations périodiques localisées afin de poursuivre la compréhension de la physique impliquée dans le contrôle de la traînée aérodynamique.

Aujourd’hui, la politique européenne incite les industriels de l’automobile à concevoir des véhicules “propres”, ainsi des normes de plus en plus contraignantes visant notamment à réduire les émissions de gaz à effet de serre ont vu le jour. Les ingénieurs sont donc amenés à envisager des solutions innovantes basées sur le contrôle des écoulements, en particulier celui des décollements puisqu’ils ont généralement des effets délétères sur les performances aérodynamiques. En effet, les phénomènes de décollement, inhérent aux corps épais, sont à l’origine de l’augmentation de la traînée et par conséquent de la consommation de carburant. Les travaux présentés dans ce mémoire sont dédiés au contrôle d’écoulement en vue de la réduction de traînée sur un modèle générique de véhicule automobile appelé “Corps de Ahmed” par une combinaison d’actionneur de type jets ynthétiques. Le mémoire s’articule autour de deux axes principaux. Le premier a permis la caractérisation d’actionneurs de type jets synthétiques, les fréquences et amplitudes optimales au regard de différents critères ont ainsi été identifiées et analysées. Le second a été consacré à étudier la réponse des structures décollés à des perturbations périodiques localisées afin de poursuivre la compréhension de la physique impliquée dans le contrôle de la traînée aérodynamique. / Nowadays, the car manufacturers are forced by the european policy to follow more and more strict rules concerning the design of “clean” automotives, in order to reduce the gas emissions responsible for the greenhouse effect. The engineers have to consider innovative solutions based on flow control, particularly for flow separation which generally has deleterious effects on aerodynamic performance. Indeed, the separation phenomena, inherent to the bluff bodies, are at the origin of thedrag increase and consequently of the fuel consumption. The work presented in this thesis is dedicated to combinated flow separation control from simplified hatchback geometry (Ahmed body) by a synthetic jet. The thesis focuses on two main axes. The first axis has allowed the characterization of synthetic jets actuators, the frequencies and the optimal amplitudes with regard to various criteria were so identified and analyzed. The second axis was dedicated to study the separation flow structures response from local periodic disturbances in order to pursuing the physics knowledge involved in the aerodynamic drag control.

La réduction de la résistance à l'avancement par des techniques de contrôle active sera une nécessité d'importance croissante dans les années à venir pour le secteur des transports. Cette thèse fait partie d'une nouvelle voie de recherche consistant à utiliser des décharges plasmas à pression atmosphérique pour modifier les écoulements en vue d'améliorer les performances aérodynamiques (diminution de la traînée et augmentation de la portance). L'actionneur retenu est une décharge à barrière diélectrique surfacique avec un diélectrique composé d'une combinaison de deux matériaux polymères souples. L'écoulement induit par l'actionneur plasma, appelé vent ionique, est d'abord étudié expérimentalement dans l'air au repos en fonction du régime de la décharge. Une loi empirique liant la vitesse du vent ionique à la tension et à la fréquence de l'alimentation est proposée. De cette loi se dégagent une vitesse et une longueur caractéristiques utilisées pour prédire les principales propriétés du jet de paroi induit en aval de la décharge (lois d'échelle). L'efficacité de l'actionneur est ensuite testée en soufflerie subsonique pour trois configurations aérodynamiques de complexité croissante : couche limite laminaire non décollée (plaque plane), couche limite turbulente décollée (profil épais) et couche limite décollée 3D (corps de Ahmed, lunette inclinée à 25°). Des résultats significatifs tant sur le plan de la modification de la topologie de l'écoulement que de l'amélioration des efforts aérodynamiques sont obtenus pour des nombres de Reynolds jusqu'à 1,7.106 (35 m/s).

De nouvelles connaissances sur les écoulements autour des véhicules automobiles doivent aujourd'hui être apportées pour envisager une amélioration de leurs performances aérodynamiques. Ce travail de thèse repose sur des études expérimentales, réalisées en soufflerie, permettant l'analyse et la compréhension des mécanismes physiques associés aux écoulements décollés tridimensionnels et instationnaires se développant à l'arrière des véhicules automobiles. Il se concentre plus particulièrement sur la géométrie générique du corps de Ahmed permettant de reproduire les écoulements à l'arrière de véhicule de type bicorps (lunette arrière et culot). L'étude compare deux maquettes de géométrie différente dont l'une permet d'obtenir une zone de recirculation tridimensionnelle sur la lunette arrière et l'autre de conserver l'écoulement attaché. L'analyse et la comparaison des topologies moyennes des écoulements permettent d'évaluer les interactions entre la recirculation 3D et les autres structures en présence. On montre plus particulièrement que l'absence du décollement sur la lunette arrière modifie la topologie de l'écoulement à l'arrière du culot avec une réduction de traînée de l'ordre de 10%. Les résultats montrent que les effets de la recirculation ne sont pas assez importants pour modifier la position des structures tourbillonnaires longitudinales se développant sur les arêtes latérales de la lunette, mais modifient légèrement leur intensité. L'analyse spectrale des fluctuations de vitesse et de pression indique que la recirculation est le siège d'activités instationnaires pseudopériodiques. La Décomposition Orthogonale Propre des champs de vitesse et de pression montre finalement que ces activités sont associées à un mécanisme de battement de la recirculation passant d'une configuration décollée à une configuration attachée et à une émission de structures tourbillonnaires formées par la couche cisaillée de la recirculation.

De nouvelles connaissances sur les écoulements autour des véhicules automobiles doivent aujourd'hui être apportées pour envisager une amélioration de leurs performances aérodynamiques. Ce travail de thèse repose sur des études expérimentales, réalisées en soufflerie, permettant l'analyse et la compréhension des mécanismes physiques associés aux écoulements décollés tridimensionnels et instationnaires se développant à l'arrière des véhicules automobiles. Il se concentre plus particulièrement sur la géométrie générique du corps de Ahmed permettant de reproduire les écoulements à l'arrière de véhicule de type bicorps (lunette arrière et culot). L'étude compare deux maquettes de géométrie différente dont l'une permet d'obtenir une zone de recirculation tridimensionnelle sur la lunette arrière et l'autre de conserver l'écoulement attaché. L'analyse et la comparaison des topologies moyennes des écoulements permettent d'évaluer les interactions entre la recirculation 3D et les autres structures en présence. On montre plus particulièrement que l'absence du décollement sur la lunette arrière modifie la topologie de l'écoulement à l'arrière du culot avec une réduction de traînée de l'ordre de 10%. Les résultats montrent que les effets de la recirculation ne sont pas assez importants pour modifier la position des structures tourbillonnaires longitudinales se développant sur les arêtes latérales de la lunette, mais modifient légèrement leur intensité. L'analyse spectrale des fluctuations de vitesse et de pression indique que la recirculation est le siège d'activités instationnaires pseudopériodiques. La Décomposition Orthogonale Propre des champs de vitesse et de pression montre finalement que ces activités sont associées à un mécanisme de battement de la recirculation passant d'une configuration décollée à une configuration attachée et à une émission de structures tourbillonnaires formées par la couche cisaillée de la recirculation. / More and more knowledge related to flows behind road vehicles must be provided to improve their aerodynamic performances. This PhD thesis deals with experimental studies carried out in a wind tunnel, and enables analysis and understanding of physical mechanisms related to three-dimensionnal and unsteady separated flows that develop behind road vehicles. More specifically, it focuses on the generic model of Ahmed body that recreates flows behind common fastback cars (rear window and rear part). This study compares two models with different shape, the first one having a sharped edge between the roof and the rear window enabling the development of a separated region, and the second one having a rounded edge preventing separation. Analysis and understanding of the time averaged topology of both flow configurations are performed to characterize interactions between the three-dimensionnal separation and the other structures. More specifically, it is observed that suppressing separated region over the rear window changes the flow topology behind the rear base with a drag reduction of approximately 10%. Results show that the influence of the separated region is not strong enough to modify the location of the longitudinal vortical structures, which develop at each side of the model, but is strong enough to slightly modify their intensity. Spectral analysis of the velocity and pressure fluctuations indicates that the separated region is characterized by pseudo-periodic unsteady activities. Proper Orthogonal Decomposition of instantaneous velocity and pressure fields shows that these activities are respectively related to a flapping mechanism of the separated zone moving between a shrinked state and an enlarged state, and a large scale vortices emmission resulting from the shear layer of the separated region.

La réduction de la résistance à l’avancement par des techniques de contrôle active sera une nécessité d’importance croissante dans les années à venir pour le secteur des transports. Cette thèse fait partie d’une nouvelle voie de recherche consistant à utiliser des décharges plasmas à pression atmosphérique pour modifier les écoulements en vue d’améliorer les performances aérodynamiques (diminution de la traînée et augmentation de la portance). L’actionneur retenu est une décharge à barrière diélectrique surfacique avec un diélectrique composé d’une combinaison de deux matériaux polymères souples. L’écoulement induit par l’actionneur plasma, appelé vent ionique, est d’abord étudié expérimentalement dans l’air au repos en fonction du régime de la décharge. Une loi empirique liant la vitesse du vent ionique à la tension et à la fréquence de l’alimentation est proposée. De cette loi se dégagent une vitesse et une longueur caractéristiques utilisées pour prédire les principales propriétés du jet de paroi induit en aval de la décharge (lois d’échelle). L’efficacité de l’actionneur est ensuite testée en soufflerie subsonique pour trois configurations aérodynamiques de complexité croissante : couche limite laminaire non décollée (plaque plane), couche limite turbulente décollée (profil épais) et couche limite décollée 3D (corps de Ahmed, lunette inclinée à 25°). Des résultats significatifs tant sur le plan de la modification de la topologie de l’écoulement que de l’amélioration des efforts aérodynamiques sont obtenus pour des nombres de Reynolds jusqu’à 1,7.106 (35 m/s). / Active flow control is a key issue to meet the environmental requirements for the next generations of aircrafts and cars. The aim of this work is to study subsonic airflows control by plasma actuators in order to improve aerodynamic performances (drag reduction and lift enhancement). The actuator consists in using a surface dielectric barrier discharge with a thin dielectric made by a combination of two polymer materials. The first part of this work is dedicated to the experimental study of the flow induced by the actuator in quiescent air according to the regime of the discharge. An empirical law is proposed in order to determine the velocity of the ionic wind as a function of the high voltage and the frequency of the actuator. From this law the main properties of the wall jet induced by the discharge are predicted. In the second part of the study the actuator is used for wind tunnel experiments for three configurations of increasing complexity: laminar boundary layer (flat plane), separated turbulent boundary layer (wing profile) and 3D separated boundary layer (Ahmed body with rear window tilted at 25°). Significant results are obtained for Reynolds numbers up to 1.7.106 (35 m/s).

Ce manuscrit relate les travaux de recherche effectués dans le cadre du projet CARAVAJE ("Contrôle de l'AéRodynAmique externe des Véhicules Automobile par JEts pulsés"). L'objectif principal est de développer une stratégie de contrôle actif utilisable sur un véhicule de série, et répondant aux standards industriels. Dans le cadre de ce travail de thèse, différentes stratégies de contrôle par jets pulsés ont donc été testées sur un véhicule simplifié échelle réduite type corps de Ahmed, en utilisant des électrovannes et des actionneurs MEMS. Grâce aux électrovannes, des réductions de trainée entre 6% et 12% ont été obtenues pour diverses stratégies, et des liens ont été constatés avec l'évolution des pressions pariétales et les modifications du sillage. Des correspondances ont également été observées entre les fréquences naturelles présentes au niveau de la bulle de recirculation et les fréquences de contrôle les plus efficaces. Les actionneurs MEMS ont ensuite été caractérisés, et ont permis d'obtenir jusqu'à 9% de réduction de trainée sur la maquette à échelle réduite. Un système hybride MEMS / électrovannes a pour finir été utilisé sur un véhicule échelle 1 (Citröen C6), et ces micro-jets se sont avérés capables de modifier favorablement la répartition de pression sur la lunette du véhicule.

L’objectif de ce travail de thèse consiste à analyser les solutions de contrôle permettant de réduire la traînée aérodynamique et donc de diminuer la consommation d’un véhicule. Les véhicules ciblés dans cette étude sont ceux se rapprochant d’une géométrie à culot droit telles que les versions break, monospace, SUV, utilitaires, ou même les remorques de camions. Pour s’affranchir des variantes de style, ces travaux sont concentrés sur la géométrie académique du corps de Ahmed à culot droit. La vitesse de l’écoulement est de 30m/s afin de retrouver des caractéristiques d’un écoulement de sillage fortement turbulent, proche des vitesses d’un véhicule sur autoroute. Ce travail à dominante numérique se décompose en deux parties : la première a pour objectif de valider les résultats de calculs avec et sans solution de contrôle avec des mesures expérimentales identiques, la seconde d’explorer numériquement des configurations de contrôle mixant des solutions de jets périodiques et de déflecteurs agissant sur le sillage du corps de Ahmed à culot droit. Les solutions les plus efficaces apportent des réductions de la traînée de l’ordre de 10%. / This present work is focused on the analysis of control solutions that reduce the aerodynamic drag and therefore the fuel consumption of vehicles. The selected vehicle geometries are closed to a bluff body such as Estate, van, SUV, commercial vehicles or even truck trailers. This work is then focused on the academic geometry of Ahmed body with square back in order to avoid style diversity. The reference velocity flow is equal to 30m/s, which is closed to a vehicle speed on a highway, and induces a highly turbulent wake flow. This work mainly numerical is divided in two parts. The first one is dedicated to the validation of the numerical model with experimental wind tunnel measurements. The second part looks for numerical configurations of flow control solution, mixing periodic jet and deflector both acting on the wake. Most effective solutions lead to drag reduction of about 10%.

Le contrôle actif d’écoulement est actuellement étudié dans le but d’améliorer les performances aérodynamiques des véhicules aériens ou terrestres. La diminution de la traînée permettrait de réduire la consommation de carburants fossiles et donc l’émission des gaz à effet de serre des véhicules. Les actionneurs fluidiques sont utilisés comme dispositifs de contrôle depuis une quinzaine d’année. Le contrôle par jet synthétique semble être le plus adapté à une application sur un véhicule de série dans la mesure où l’actionneur ne doit pas être alimenté en fluide. Le travail présenté dans cette thèse combine l’expérimentation physique et la simulation numérique. Elle s’intéresse tout particulièrement au contrôle de l’écoulement autour d’un corps de Ahmed à culot droit à l’aide d’un actionneur de type jet synthétique. Les essais en soufflerie ont été essentiellement utilisés pour caractériser l’écoulement autour du corps de Ahmed et dans son sillage. L’écoulement autour de cette géométrie simplifiée de véhicule terrestre a été caractérisé par des pesées aérodynamiques, des mesures de pressions pariétales, des acquisitions des fluctuations de vitesse par anémomètrie à fil chaud et des mesures de champs de vitesse par Vélocimétrie par Images de Particules. Les grandeurs moyennes et instationnaires de l’écoulement ont ainsi pu être caractérisées. Les simulations numériques à l’aide du code de calcul elsA ont ensuite été réalisées sur une configuration similaire. Les résultats des simulations de l’écoulement non contrôlé ont été confrontés aux résultats expérimentaux. Dans le but d’agir sur la traînée, le contrôle à l’aide d’un actionneur de type jet synthétique a été réalisé sur la même géométrie. Les paramètres de contrôle tels que la quantité de mouvement, la fréquence d’actionnement et l’orientation des jets synthétiques ont été testés numériquement. Le contrôle à l’aide des paramètres testés, a entrainé une augmentation de la traînée qui est due à une réduction de la longueur de la zone de recirculation associée à une diminution de la pression pariétale au niveau du culot de la maquette. Il ressort de ce travail que le contrôle par jet synthétique à basse fréquence orienté selon le sens principal de l’écoulement semble être une voie à explorer. / Active flow control is currently studied in order to improve aerial or ground vehicle aerodynamics. Diminishing aerodynamic drag leads to a reduction of fuel consumption and so in greenhouse gas emissions of vehicles. Fluidic actuators have been used as control devices for about fifteen years. Considering the fact that the actuator does not need external fluid supply system, synthetic jet control seems to be the most suitable solution that can fit on production vehicles. This thesis combines experimental tests and numerical simulations. It tackles with the flow control around a square back Ahmed body with synthetic jet actuator. Wind tunnel tests have essentially been used to characterize the flow around and in the wake of the Ahmed body. Flow around this simplified geometry of ground vehicle has been characterized using hot wire anemometry, flush mounted pressure taps and two components Particular Image Velocimetry. The steady and unsteady features of the wake flow have thus been characterized. Simulations of this flow have been performed with the computation code elsA. Results of the simulations of the natural flow around the square back Ahmed body have been compared to experimental results. With a view to modifying the drag, flow control thanks to a synthetic jet actuator has been tested on a square back Ahmed body. Parameters of the flow control, such as momentum coefficient, actuation frequency and orientation of the synthetic jet have been numerically investigated. Results show a decrease of the circulation length leading to a diminution of the base pressure and hence to an increase of the drag. Flow control by using a low frequency with slots oriented along the mainstream seems to be a path to explore.