Ce manuscrit présente les travaux de thèse réalisés dans le cadre d’une convention CIFRE entre Renault Trucks et le LMFA. Une stratégie de contrôle d’écoulement, associant un volet déflecteur et des actionneurs de type jets pulsés et synthétiques, est étudiée expérimentalement en vue de réduire la traînée aérodynamique de corps non profilés à culot droit. Une première approche consiste à étudier l’influence de cette stratégie sur une maquette bidimensionnelle. Des mesures de vitesse dans le sillage proche par TR-PIV et par anémométrie à fil chaud démontrent qu’une certaine gamme de fréquence d’actionnement permet à l’écoulement de recoller sur le volet et de diminuer les fluctuations de vitesse dans la zone de recirculation, ce qui engendre une augmentation de la pression au culot. Une analyse par moyenne de phase et la détermination de corrélations spatio-temporelles permettent d’identifier les perturbations induites par le contrôle conduisant à ces modifications de l’écoulement. Un système de jets synthétiques est ensuite intégré à une maquette simplifiée de véhicule poids lourd à l’échelle 1/8e, dont le sillage est représentatif des remorques réelles. Des gains en traînée significatifs sont obtenus et sont associés aux mêmes phénomènes aérodynamiques que pour la maquette bidimensionnelle. Enfin, une étude paramétrique montre la robustesse du contrôle aux caractéristiques de la couche limite incidente aux jets et à la longueur du volet déflecteur. / This document presents the research work realized in the scope of a PhD thesis with Renault Trucks and the LMFA. A flow control strategy, combining an inclined flap with pulsed or synthetic jets, is experimentally studied to reduce the aerodynamic drag of square-back bluff bodies. A first approach consists in studying the effect of this strategy on the flow behind a twodimensional model. The near-wake flow is characterized by the use of velocity measurements obtained by Time-Resolved Particles Image Velocimetry and hot-wire Anemometry. These measurements show that the increase in rear base pressure, obtained in a specific range of actuation frequencies, is associated with the reattachment of the flow on the flap and with a decrease in velocity fluctuations within the recirculation area. A phase average analysis and the determination of space-time correlations allow identifying the aerodynamic disturbances induced by the control system and leading to these modifications of the wake flow. A synthetic jet system is integrated to a 1 :8 scale simplified truck model, with a wake flow similar to this of real trailers. Significant drag reductions are obtained using active control and are associated with the same flow phenomena as these observed in the two-dimensional model study. Eventually, a parametric study is performed and shows the robustness of the flow control strategy to the characteristics of the boundary layer developing on the model roof and to the flap length.

Dans cette étude, le comportement aérodynamique du jet pariétal (Re = 8000) cisaillé latéralement par un courant de perturbation externe (ELS) de profil de vitesse uniforme (Ulf) a été étudié et analysé. Les expérimentations ont été réalisées par PIV et LDV sur une maquette aéraulique isotherme à échelle réduite d’un meuble frigorifique de vente. L’étude est centrée sur la région du jet située à proximité de la section de soufflage (x/e < 10) qui correspond à la zone dans laquelle se développent les instabilités et le processus de transition vers la turbulence. L’analyse des résultats obtenus avec et sans perturbation a mis en évidence que la perturbation entraîne une diminution significative du pouvoir d’entraînement du jet, une forte décroissance de la vitesse moyenne maximale, un faible épanouissement du jet et une augmentation globale des valeurs des moments d’ordre deux de toutes les composantes des contraintes de Reynolds. L’analyse par PIV résolue en temps (10 kHz) montre une topologie déformée et allongée des structures de Kelvin-Helmholtz (K-H) pour (Ulf = 0,5 ms-1) et détachée pour (Ulf = 1 ms-1). Les résultats de l’interaction mutuelle ente les couches interne et externe indiquent que le courant ELS brise partiellement le mécanisme de formation des dipôles de vortex qui deviennent irréguliers et moins prédictifs, ce qui conduit à l’allongement de la zone de transition et retarde donc l’apparition de la zone auto-similaire du jet. D’après la technique POD, l’ELS engendre une redistribution énergétique entre les modes. Le courant ELS affecte également les instabilités K-H en perturbant leur organisation bidimensionnelle, leur topologie, leur alignement et leur fréquence de passage mettant en évidence l’effet inhibiteur exercé sur le développement des structures primaires. Les corrélations spatiales Rvv reflètent la diminution des échelles de longueur dans le cas d’un jet perturbé. / In this study, the aerodynamic behavior of the plane wall jet (Re = 8000) sheared laterally by an external lateral stream (ELS) of a uniform velocity profile (Ulf) was studied and analyzed. The experiments were carried out by PIV and LDV on a reduced-scale isothermal aeraulic model of a refrigerated display cabinet. The study focuses on the near-field region of the jet (x / e <10) which corresponds to the zone of transition to turbulence and onset and development of instabilities. The results obtained with and without perturbation showed a significant decrease in the entrainment rate, a strong decrease in the maximum velocity decay rate, a lower jet expansion and an overall increase in the values of second order moments of the Reynolds stress components. The time-resolved PIV analysis (10 kHz) shows a distorted and elongated topology of the Kelvin-Helmholtz (K-H) structures for (Ulf = 0,5 ms-1) and a detached topology for (Ulf = 1 ms-1). The results of the mutual interaction between the inner and outer layers indicate that the ELS partially breaks the vortex dipole formation mechanism which becomes irregular and less predictive, leading to the elongation of the transitional region and a lag effect in the beginning of the self-similarity region. POD technique reveals the role of the ELS in redistributing energy between the modes. The ELS also affects the K-H instabilities by disrupting their two-dimensional organization, topology, alignment and shedding frequency, highlighting the inhibitory effect exerted on the development of primary structures. The spatial correlations Rvv reflect the decrease of the length scales in the case of a perturbed jet.

Ce manuscrit présente les travaux de thèse réalisés dans le cadre d'une convention CIFRE entre Renault Trucks et le LMFA. Une stratégie de contrôle d'écoulement, associant un volet déflecteur et des actionneurs de type jets pulsés et synthétiques, est étudiée expérimentalement en vue de réduire la traînée aérodynamique de corps non profilés à culot droit. Une première approche consiste à étudier l'influence de cette stratégie sur une maquette bidimensionnelle. Des mesures de vitesse dans le sillage proche par TR-PIV et par anémométrie à fil chaud démontrent qu'une certaine gamme de fréquence d'actionnement permet à l'écoulement de recoller sur le volet et de diminuer les fluctuations de vitesse dans la zone de recirculation, ce qui engendre une augmentation de la pression au culot. Une analyse par moyenne de phase et la détermination de corrélations spatio-temporelles permettent d'identifier les perturbations induites par le contrôle conduisant à ces modifications de l'écoulement. Un système de jets synthétiques est ensuite intégré à une maquette simplifiée de véhicule poids lourd à l'échelle 1/8e, dont le sillage est représentatif des remorques réelles. Des gains en traînée significatifs sont obtenus et sont associés aux mêmes phénomènes aérodynamiques que pour la maquette bidimensionnelle. Enfin, une étude paramétrique montre la robustesse du contrôle aux caractéristiques de la couche limite incidente aux jets et à la longueur du volet déflecteur.

Turbulent boundary layers flowing over a smooth surface were studied to understand the influence of varying pressure gradients and flow Reynolds number on the boundary layer growth and mean turbulent properties. The test was conducted in the Virginia Tech Stability Wind Tunnel with a 0.914 m chord length, NACA 0012 Airfoil in the test section. This airfoil was rotated to different angles of attack to induce varying pressure gradients on the boundary layer developing on the test section walls. Mean pressure measurements, boundary layer pressure measurements, and time-resolved, wall-normal, stereoscopic particle image velocimetry (TR-PIV) measurements were made. The TR-PIV data was acquired at a chord-based Reynolds number of 1.2 million, 2 million, and 3.5 million, at a sampling rate of 1 kHz, in two different camera configurations. The boundary layer pressure measurements were acquired at different flow Reynolds numbers ranging between 0.76 million and 3.5 million. Both adverse and favorable pressure gradients of varying intensities were imposed on the boundary layer by rotating a 0.914 m chord NACA 0012 airfoil to angles of attacks between -{10}^o and {12}^o. Measurements at varying streamwise locations enabled the study of boundary layer flow development under changing pressure gradients. The pressure gradient influences were observed in the boundary layer characteristic properties, on the mean velocities, and on the Reynolds stresses present in the flow. The pressure gradient influences were found to be consistent at varying Reynolds numbers, but the intensity of their effects was influenced by the flow Reynolds number. Moreover, the influence of pressure gradients and flow Reynolds numbers was evident in both outer and inner scales. The test data acquired was also validated with previous works. / M.S. / The interaction of turbulent boundary layers and smooth surfaces is prevalent in our world. It plays a vital role in various phenomena, such as, aircraft stall, cabin noise, and structural vibrations. Varying flow conditions influence the behavior of boundary layers and the extent of their implications. The effects of pressure gradients and the level of turbulence, described by the Reynolds numbers, on turbulent boundary layer flow was studied. This was done through an experiment conducted at the Virginia Tech Stability Wind Tunnel facility. The test data was acquired through boundary layer pressure measurements and Time-Resolved, Stereoscopic Particle Image Velocimetry (TR-PIV) at varying streamwise locations in the test section. A 0.914 m chord, NACA 0012 airfoil was placed in the test section and its angle of attack was varied to -{10}^o,0^o,\ \ and\ {12}^o to induce a favorable, minimum, and an adverse pressure gradient, respectively. The TR-PIV measurements were acquired at a sampling rate of 1 kHz and in two different camera configurations. The flow Reynolds number was based on the airfoil chord length (Re_c) and was varied to 1.2 million, 2 million, and 3.5 million for the TR-PIV tests. The boundary layer pressure measurements were acquired using an array of 30 Pitot probes placed in the boundary layer of the flow. The flow Reynolds number for these test runs ranged between 0.76 million and 3.5 million. The acquired data was used to analyze the mean statistical properties of turbulent boundary layers primarily focusing on the mean velocities, boundary characteristic parameters, Reynolds normal stresses, and Reynolds shear stresses. The results showed that the nature of pressure gradient influences on the mean properties of turbulent boundary layers remained consistent regardless of the flow Reynolds number. However, the intensity of the pressure gradient effects was influenced by the flow Reynolds number. These observations were made at various streamwise data acquisition locations through which the evolution of the flow was also studied. Lastly, the results obtained in this experiment were validated with previous works.

L’aérodynamique latérale des véhicules automobiles suscite de nos jours de plus en plus d’intérêt de la part des constructeurs. L’automobiliste est en effet soumis quotidiennement à de forts courants d’air latéraux, que ce soit lors du dépassement d’un autre véhicule, ou alorsen passant dans un couloir de vent du à la topographie du terrain (passage devant un espace entre deux immeubles par exemple). Les efforts aérodynamiques mis en jeu dans ces situations peuvent provoquer des mouvements non désirés du véhicule, pouvant avoir des conséquences dramatiques si le conducteur se laisse surprendre. Des études expérimentales reproduisant les effets d’un dérapage dynamique ont mis en évidence des phénomènes transitoires importants mettant à défaut les modèles stationnaires généralement pratiqués par les constructeurs pour qualifier le comportement de leurs véhicules en présence de dérapage. Les mécanismes responsables de ces phénomènes transitoires sont encore mal connus de la communauté scientifique. Ce travail propose d’approfondir ce sujet au travers de l’étude de l’aérodynamique d’un véhicule terrestre fixe soumis à un vent longitudinal et à une rafale de vent latéral. Le but principal est d’identifier les structures tourbillonnaires au moyen de mesures PIV et de calculs numériques des champs de vitesse autour d’une maquette automobile et de les corréler aux efforts aérodynamiques. Un accord entre l’ISAT, composante de l’Université de Bourgogne, et l’Institut Supérieurde l’Aéronautique et de l’Espace (ISAE) de Toulouse a permis de mener l’étude avec les ressources de cet établissement. Le moyen d’essai principal, créé par l’ISAE, est le banc« rafale latérale », constitué d’une soufflerie principale et d’une soufflerie secondaire, dont la sortie à volet déferlants (« Mexican Wave ») est inspirée de l’approche proposée par Ryan et Dominy (2000). L’analyse expérimentale a été effectuée à l’aide de la PIV résolue en temps et stéréoscopique, et d’une balance dard instationnaire à cinq composantes. Un banc« numérique » identique a été constitué à l’aide du logiciel FLUENT©, pour des calculs 3D. De plus, un modèle 2D annexe, basé sur la méthode « meshless », a été développé pour de futures investigations, en raison de sa robustesse pour des problèmes à fortes discontinuités et sa bonne adaptabilité aux problèmes avec frontières mobiles.Une première phase de ce travail a consisté en la mise au point des bancs expérimental et numérique, avec génération d’un champ de dérapage homogène, de 21° dans la zone de mesure. L’évolution du dérapage en chaque point respecte bien la forme d’un créneau imposé par la rafale. Pour l’analyse des efforts, deux géométries de maquette ont été étudiées, à savoir un corps de Windsor à culot droit générant, pour un écoulement longitudinal, des structures de sillage bidimensionnelles, et son homologue à culot incliné de 25°, générant des tourbillons « cigare ». Des pics d’efforts ont été observés à l’arrivée de la rafale, tout comme la littérature le prédit. Pour ce qui est du coefficient du moment de lacet, les sursauts sont de 29 % et 19 % respectivement pour la maquette à culot droit et celle à culot incliné, par rapport aux valeurs stationnaires. Concernant le coefficient de force de dérive, ils sont de 10 % et 14 %, respectivement. Lors de nos essais, ces efforts se sont établis après 5.5 longueurs de maquette. Afin d’expliquer la différence de comportement entre les deux maquettes en termes d’efforts, l’évolution temporelle des tourbillons nommés, dans ce mémoire, ΓA, ΓB, ΓC et Γ1 à été discutée. Il en est ressorti une forte corrélation entre la circulation du tourbillon ΓA, le plusénergétique, naissant à l’avant du flanc sous le vent de la maquette, et les efforts latéraux, de sorte que ce tourbillon serait le meilleur témoin des phénomènes instationnaires mis en jeu dans l’étude de l’effet du vent latéral. [...] / The automotive manufacturers are nowadays more and more interested in crosswind aerodynamics. Indeed, the driver is subjected every day to strong side air flows, for example when overtaking another vehicle or when passing through a lateral wind wall, generated by terrain topography (as in the case of the passage near the empty space between two buildings).The aerodynamic efforts generated in these situations can lead to undesired lateral deviations,which can be dramatic if the driver is surprised. Different experimental studies, reproducing the effects of a dynamic yaw angle, pointed out the issues of the steady methods, commonly used to qualify the vehicle crosswind behaviour. Little is still known about the physics behind these unsteady phenomena. This is the main topic of this work, by studying the aerodynamics of a fixed vehicle subjected to both a longitudinal flow and a side wind gust. The goal is the identification of the near-vehicle vortex structures, by means of PIV measurements and CFD calculations, and their correlation with the evolution of the efforts. An agreement between the ISAT, a department of the University of Burgundy, and the ISAE of Toulouse, permitted to carry out this research with the resources of the latter laboratory. The work focuses on the use of the “rafale latérale” (side gust) test bench, made up with a main wind tunnel connected with an auxiliary one by means of a shutter system,whose opening is held by a “Mexican Wave” law. This approach is inspired by the work of Dominy and Ryan (2000). The experimental analysis was carried out by means of Time-Resolved and stereoscopic PIV, and by a five components unsteady balance as well. Anidentical test bench was numerically reproduced with the 3D CFD software FLUENT©.Moreover, an additional 2D CFD model, based on the meshless method, has been developed for future studies. This kind of approximation method has been chosen for its robustness innon-continuous problems and because of its adaptability when moving boundaries are needed.The first phase of this work consisted on wind tunnels set-up, both for the real test bench and for the CFD model. The yaw angle field is homogeneous, 21° in the measurement region. The yaw angle evolution, at given point, respects the step wise behaviour, imposed by the gust passage. As far as the efforts are concerned, two versions of the Windsor body car model were studied, that is a squareback geometry, generating, for longitudinal flows, 2D wakestructures, and a fastback geometry (rear window inclined by 25°), producing cone-liketrailing vortices. Force overshoots were seen after the gust arrival, as seen in literature. In particular, the yaw moment coefficient overshoots are 29% and 19% higher than the steady yaw angle tests, for the squareback and the fastback geometries, respectively. If the side forceis concerned, the entities of these overshoots are 10% and 14%, respectively. Our testspointed out that efforts establish after the vehicle has driven 5.5 times its length in thecrosswind. In order to explain the different behaviour of the two geometries, it is discussed about the unsteady evolution of the vortices called, in this report, ΓA, ΓB, ΓC et Γ1. A strong correlation between the side efforts and the circulation of the most energetic vortex, ΓA,having its origin in the front leeward side of the vehicle. The ΓA vortex is so the best index for the study of the crosswind unsteady phenomena. The coupled analysis between vortex structures and efforts confirmed the presence of a higher side force for the squareback geometry. The inverted effect has been observed for the yaw moment

L'aérodynamique latérale des véhicules automobiles suscite de nos jours de plus en plus d'intérêt de la part des constructeurs. L'automobiliste est en effet soumis quotidiennement à de forts courants d'air latéraux, que ce soit lors du dépassement d'un autre véhicule, ou alorsen passant dans un couloir de vent du à la topographie du terrain (passage devant un espace entre deux immeubles par exemple). Les efforts aérodynamiques mis en jeu dans ces situations peuvent provoquer des mouvements non désirés du véhicule, pouvant avoir des conséquences dramatiques si le conducteur se laisse surprendre. Des études expérimentales reproduisant les effets d'un dérapage dynamique ont mis en évidence des phénomènes transitoires importants mettant à défaut les modèles stationnaires généralement pratiqués par les constructeurs pour qualifier le comportement de leurs véhicules en présence de dérapage. Les mécanismes responsables de ces phénomènes transitoires sont encore mal connus de la communauté scientifique. Ce travail propose d'approfondir ce sujet au travers de l'étude de l'aérodynamique d'un véhicule terrestre fixe soumis à un vent longitudinal et à une rafale de vent latéral. Le but principal est d'identifier les structures tourbillonnaires au moyen de mesures PIV et de calculs numériques des champs de vitesse autour d'une maquette automobile et de les corréler aux efforts aérodynamiques. Un accord entre l'ISAT, composante de l'Université de Bourgogne, et l'Institut Supérieurde l'Aéronautique et de l'Espace (ISAE) de Toulouse a permis de mener l'étude avec les ressources de cet établissement. Le moyen d'essai principal, créé par l'ISAE, est le banc" rafale latérale ", constitué d'une soufflerie principale et d'une soufflerie secondaire, dont la sortie à volet déferlants (" Mexican Wave ") est inspirée de l'approche proposée par Ryan et Dominy (2000). L'analyse expérimentale a été effectuée à l'aide de la PIV résolue en temps et stéréoscopique, et d'une balance dard instationnaire à cinq composantes. Un banc" numérique " identique a été constitué à l'aide du logiciel FLUENT©, pour des calculs 3D. De plus, un modèle 2D annexe, basé sur la méthode " meshless ", a été développé pour de futures investigations, en raison de sa robustesse pour des problèmes à fortes discontinuités et sa bonne adaptabilité aux problèmes avec frontières mobiles.Une première phase de ce travail a consisté en la mise au point des bancs expérimental et numérique, avec génération d'un champ de dérapage homogène, de 21° dans la zone de mesure. L'évolution du dérapage en chaque point respecte bien la forme d'un créneau imposé par la rafale. Pour l'analyse des efforts, deux géométries de maquette ont été étudiées, à savoir un corps de Windsor à culot droit générant, pour un écoulement longitudinal, des structures de sillage bidimensionnelles, et son homologue à culot incliné de 25°, générant des tourbillons " cigare ". Des pics d'efforts ont été observés à l'arrivée de la rafale, tout comme la littérature le prédit. Pour ce qui est du coefficient du moment de lacet, les sursauts sont de 29 % et 19 % respectivement pour la maquette à culot droit et celle à culot incliné, par rapport aux valeurs stationnaires. Concernant le coefficient de force de dérive, ils sont de 10 % et 14 %, respectivement. Lors de nos essais, ces efforts se sont établis après 5.5 longueurs de maquette. Afin d'expliquer la différence de comportement entre les deux maquettes en termes d'efforts, l'évolution temporelle des tourbillons nommés, dans ce mémoire, ΓA, ΓB, ΓC et Γ1 à été discutée. Il en est ressorti une forte corrélation entre la circulation du tourbillon ΓA, le plusénergétique, naissant à l'avant du flanc sous le vent de la maquette, et les efforts latéraux, de sorte que ce tourbillon serait le meilleur témoin des phénomènes instationnaires mis en jeu dans l'étude de l'effet du vent latéral. [...]