Le travail de réduction de la traînée aérodynamique d’un véhicule peut être mené sur deux fronts à la fois; d’une part la simulation numérique CFD (Computational Fluid Dynamics) et d’autre part les tests expérimentaux. Les méthodes et approches appliquées à la réduction de la traînée aérodynamique sont bien connues pour des véhicules de types automobile et motocyclette. La présente recherche porte sur un véhicule Spyder qui combine les aspects d’une automobile par la dimension de sa surface frontale et d’une motocyclette par sa position de conduite et son exposition aux éléments extérieurs. L’étude permet d’identifier les zones génératrices de traînées et de leur appliquer des optimisations adaptées. Nous avons appliqué plusieurs méthodes issues de la littérature afin d’atteindre les objectifs de réduction de la traînée fixés par le projet, soit une réduction de plus de 22% de la traînée aérodynamique totale du véhicule. Les recherches se concentrent sur l’aérodynamique externe du véhicule jusqu’aux interfaces avec l’aérodynamique interne.

La réduction de la consommation énergétique est actuellement un point important lors de la conception d'un véhicule qu'il soit à moteur thermique (réduction de la consommation d'essence), électrique (augmenter la distance parcourue sans recharger les batteries) ou hybride. C'est dans cette optique que nous chercherons à réduire les forces de traînée aérodynamique qui s'opposent au mouvement de tout véhicule et qui sont donc à l'origine d'une consommation supplémentaire d'énergie. Grâce au développement des outils de calcul, il est aujourd’hui possible de tester sans fabriquer. En effet, grâce à l’essor de la CFD (Computational Fluid Dynamics) il est désormais possible de reproduire tous nos bancs de tests et nos optimisations de façon numérique. Cependant, ces outils ne sont pas encore parfaits et ils nécessitent des ajustements obtenus grâce à la mise en place de tests expérimentaux. C’est ainsi que les caractérisations et optimisations effectuées sur le tricycle hybride étudié et ses sous-systèmes seront réalisées. L'étude portera principalement sur l'aérodynamique externe du tricycle ainsi que sur ses échangeurs thermiques.

La réduction de la traînée aérodynamique des véhicules dans un objectif de diminution de la consommation énergétique est en plein essor aussi bien pour les véhicules électriques que thermiques. Cette étude porte sur un tricycle à motorisation hybride dont la forme et le comportement aérodynamique sont à la frontière entre une motocyclette et une automobile. L'étude s'inspire des avancées scientifiques sur ces deux types de véhicules en matière d'aérodynamique. L'objectif principal est de réduire la traînée aérodynamique du véhicule par des modifications de l'enveloppe externe tout en assurant le refroidissement du moteur thermique et des composants de la chaîne électrique. On développe une optimisation topologique de la position des échangeurs sur le tricycle, on conçoit et fabrique un prototype en fonction des résultats d'optimisation. Ensuite, on valide le prototype par des essais en soufflerie et on caractérise son aérodynamique ainsi que la sensibilité de la traînée du véhicule suivant des paramètres comme la vitesse, l'angle de lacet, etc. En n, l'étude s'oriente vers une approche d'optimisation globale multidisciplinaire permettant d'atteindre l'objectif principal en fonction des contraintes ayant trait au projet.

Dans le contexte actuel d'urgence environnementale, la communauté européenne, sensible à la qualité de l'air et à l'épuisement des ressources fossiles fixe un objectif clair et ambitieux aux constructeurs automobiles pour les émissions de gaz à effet de serre. Les rejets de gaz carbonique ne devraient ainsi pas dépasser 120g/km à l'horizon 2015 et sans doute 90g vers 2018. Le travail de thèse s'insère dans cette dynamique urgente de réduction des émissions de dioxyde de carbone. Il s'agit de réduire la traînée aérodynamique de l'ordre de 20% afin de parvenir aux normes environnementales de 2015 et également de mieux comprendre la physique de la dynamique tourbillonnaire afin d'optimiser les solutions de contrôle. Concrètement, cela consiste à coupler deux méthodes de contrôle d'écoulement : un contrôle passif par la modification de l'état de surface des carrosseries par insertion de milieux poreux et un contrôle actif par la mise en place de jets soufflant et/ou aspirant à l'arrière du véhicule. L'étude est menée en 2D pour la configuration du corps d'Ahmed avec un culot droit puis en 3D pour la configuration avec une lunette inclinée à 25° avec une résolution directe des équations de Navier-Stokes. / In the present environmental urgency, the european community which is alive to the air quality and fossil resources rarefaction determines a clear and ambitious objective to the car makers for the greenhouse gas emissions. The carbon gas discharges will not exceed 120g/km for the year 2015 and probably 90g around the year 2018. The thesis work lies within this urgent dynamics of the carbon dioxide emissions. It is question of reducing the aerodynamic drag of the order of 20% to manage to the environmental limits of the year 2015 and also to better understand the vortex dynamics in order to improve the control solutions. In practical terms, it consists in coupling two flow control methods : a passive control with a wall modification using porous media and an active control with the use of blowing and/or sucking actuators at the car back wall. The study is lead in 2D for the square back Ahmed body and next in 3D for the Ahmed body with a rear window inclined at 25° with a direct resolution of the Navier-Stokes equations.

La réduction de la trainée aérodynamique des véhicules terrestres est un défi actuel dans l’industrie automobile. La région de basse pression du sillage à l’arrière des voitures est responsable d’une part importante de la résistance à l’avancement. Cette étude porte sur le développement de nouvelles stratégies de manipulation de l’écoulement autour de ces géométries dans le but de réduire la traînée. Afin d’atteindre ces objectifs, nous explorons expérimentalement les effets d’un forçage fluidique sur le sillage et la traînée d’un corps au culot droit. Des jets périodiques émis aux bords de fuite du modèle, tangentiellement à l’écoulement principal et avec des fréquences et amplitudes variables sont utilisés pour forcer le sillage. Selon les conditions du contrôle, trois phénomènes sont principalement observés. Premièrement, sur la plage des fréquences comprenant celle du lâcher tourbillonnaire, les jets pulsés sont convectés et modifient l’entrainement de fluide vers la région de recirculation ainsi que l’évolution des instabilités de la couche cisaillée. Cette dynamique complexe a comme conséquence l’augmentation de la trainée du corps. De plus, une résonance subharmonique apparait quand les jets pulsés sont émis avec des fréquences voisines de deux fois la fréquence du mode global. Une importante augmentation de la trainée est alors mesurée et corrélée à une forte amplification des mouvements du sillage. Une augmentation de la fréquence de pulsation se traduit par un effet de vectorisation des couches cisaillées. En outre, une diminution de l’intensité turbulente du sillage proche ainsi qu’une réduction de l’entrainement de fluide le long des couches cisaillées sont mesurés, correspondant à une réduction globale de l’énergie cinétique turbulente de l’écoulement. Le couplage de ces effets est responsable d’une augmentation de la pression au culot et de la réduction de la traînée. Il est important de noter que ces trois régimes d’actuation sont indépendants des modes de brisure de symétrie existant dans ces écoulements, qui sont analysés ici par des études paramétriques de sensibilité aux perturbations. Les aspects physiques de ces phénomènes sont discutés par des mesures de la traînée, de la pression pariétale et de la vitesse avec différentes conditions de l’écoulement et du contrôle. L’addition d’une surface courbée au voisinage du jet pulsé permet de profiter d’un effet Coanda et augmente les réductions de traînée jusqu'à 20%dans le régime instationnaires. De façon générale, l’effet Coanda amplifie non seulement la récupération de la traînée mais préserve aussi les effets de la pulsation haute fréquence sur l’écoulement turbulent. Ces résultats encouragent le développent des actionneurs fluidique pour l’utilisation en aérodynamique des véhicules et fournissent un complément pour notre compréhension sur la traînée des corps non profilés et sa manipulation. / Aerodynamic drag reduction of bluff bodies has become a major challenge for transport vehicles. The massive flowseparation occurring behind cars, buses or trucks is responsible for a large resistance force due to the low-pressure, rearwake flow. The present study aims to develop novel strategies to manipulate the flow past such geometries as well as toassociate its modifications to the corresponding drag changes. In order to achieve this goal, we experimentally investigatethe impact of fluidic actuation on the wake and drag of a square-back bluff body. Wake forcing is performed by theemission of pulsed jets along the blunt trailing-edges of the model, tangentially to the main flow with variable frequencyand velocity. Depending on the forcing conditions, mainly three flow regimes can be identified. First, for a broadbandrange of frequencies comprising the natural wake instabilities, the convection of the jet structures enhances wakeentrainment, shortens the recirculating flow length with an increase of the bluff body drag. Besides, a subharmonicresonance takes place on the flow at forcing frequencies in the vicinity of twice the wake vortex shedding, leading to ahighly unsteady near wake with significant decrease of the bluff body base pressure. It corresponds to an importantincrease of the model’s drag. Further increase of the actuation frequency induces a wake fluidic boat-tailing by shearlayerdeviation. It additionally lowers turbulent intensity and entrainment of high momentum fluid in the shear layer,revealing an overall reduction of the wake fluctuating kinetic energy. The association of both mechanisms is responsiblefor a raise of base pressure and a decrease of the model's drag. These actuation regimes are independent of the symmetrybreaking modes, wake reversals existing in such flows, which are further clarified here by parametric sensitivity analysisusing flow perturbations. The physical features of such regimes are discussed on the basis of drag, pressure and velocitymeasurements at several upstream conditions and control parameters. By adding curved surfaces at the jet outlets totake advantage of the so-called Coanda effect, the effect of periodic actuation can be further reinforced leading to dragreductions of about 20 % in unsteady regime. In general, the unsteady Coanda blowing not only intensifies the basepressure recovery but also preserves the effect of unsteady high frequency forcing on the turbulent field. The presentresults encourage the development of fluidic control in road vehicles' aerodynamics as well as provide a complement toour current understanding of bluff body drag and its manipulation.

Les simulations numériques RANS, utilisées en aérodynamique pour évaluer la performance d'une forme, sont coûteuses en temps de calcul. Comme une optimisation nécessite l'étude de plusieurs dizaines de formes différentes, ce coût limite le champ des problèmes envisageables. <br />Un nouvel optimiseur basé sur des surfaces de réponse construites par une méthode de Krigeage est proposé. A un surcout modéré, la solution obtenue est meilleure. De plus, cet optimiseur semble aussi capable de traiter des problèmes de grande dimension en interpolant le vecteur gradient aux points de construction du Krigeage. <br />En optimisation multidisciplinaire, les surfaces de réponse sont largement employées pour échanger facilement des données entre différentes disciplines. Ainsi, une approche d'optimisation bi-niveau avec couplage fluide/structure par surface de réponse est étudiée. L'application considérée traite de l'intégration d'une installation motrice (positionnement) sur un avion de transport civil.

Nous étudions l'influence des perturbations géométriques des parois d'un domaine sur les solutions d'équations aux dérivées partielles à valeurs vectorielles, à travers un effet géométrique appelé l'effet de rugosité. Cet effet consiste à transformer des conditions de non pénétration imposées sur une suite de parois oscillantes convergeant vers une paroi lisse, en une condition qualifiée de glissement dirigé avec friction, ou friction-driven, dont une formulation générale a été obtenue en 2009 par Bucur, Feireisl et Necasova. Nous caractérisons l'effet de rugosité produit par des parois périodiques ou cristallines à l'aide des mesures de Young et de mesures capacitaires permettant de comprendre l'effet des oscillations des vecteurs normaux. D'autre part, nous démontrons la stabilité de la trajectoire d'un solide déformable à faible nombre de Reynolds, par rapport aux déformations qu'on lui impose, et proposons un schéma numérique de résolution du modèle. C'est une première étape vers la compréhension d'un effet de rugosité dynamique produit par une famille continue de micro-déformations du bord. Enfin, nous considérons le problème de la traînée d'un solide immergé dans un fluide visqueux, avec des conditions friction-driven sur la paroi solide. Après avoir montré que le problème est bien posé, nous décrivons le problème de minimisation de la traînée en termes de micro-structure de la paroi associée à la condition friction-driven. À l'aide d'outils de gamma-convergence, nous montrons que ce problème de micro-optimisation de forme possède une solution. Nous validons ces résultats par des exemples numériques et mettons en oeuvre une méthode numérique d'optimisation.

La réduction de la traînée est un phénomène d'écoulement qui, par la présence de très petites quantités d'additifs (polymères ou tensio-actifs) dans un fluide quelconque, consiste en une réduction significative du frottement à la paroi en régime turbulent. Certaines solutions d'additifs, en interagissant avec la structure de la turbulence conduisent à une réduction du frottement pouvant aller jusqu'à 90 % par rapport au solvant pur. Ceci induit une réduction de la puissance de pompage de l'ordre de 30 %. La réduction de la traînée peut trouver son application dans des systèmes de chauffage et de refroidissement urbains, dans le domaine pétrolier (pipelines), ... Dans ce travail de thèse une contribution à l'étude de ce type d'écoulement a été menée. Une solution réductrice de la traînée à base de « CTAC/NaSal » à faible concentration a été largement explorée. La rhéométrie, la vélocimétrie par images de particules (PIV) et des modèles numériques sont utilisés. Ainsi, les solutions de tensio-actifs ont été caractérisées rhéologiquement. Plusieurs paramètres influençant la réduction de la traînée en conduite ont été étudiés. Le phénomène de glissement à la paroi a été abordé par une étude dans une géométrie de Couette. Enfin, un modèle de comportement rhéologique issu des mesures rhéologiques a été testé par Simulation Numérique Directe (DNS). Les principaux résultats qui ressortent de ce travail montrent que le mécanisme de la réduction de la traînée est conditionné par plusieurs paramètres par contre, le glissement à la paroi n'est pas forcement responsable de la réduction de la traînée.

L'écoulement de refroidissement, qui pénètre par les entrées d'air sous le capot des véhicules automobiles,est étudié à partir de trois approches complémentaires : les approches théorique, expérimentale et numérique. Ces trois approches s'appuient sur une maquette simplifiée à culot droit basée sur le corps de Ahmed et équipée d'un compartiment moteur. Les mesures expérimentales montrent que placer la sortie du compartiment moteur au culot de la maquette est plus favorable à une faible traînée de refroidissement qu'une sortie placée au niveau du soubassement. La contribution de la traînée de refroidissement dans la traînée totale peut ainsi varier de 2% à 24%. Les simulations numériques donnent elles accès au débit de refroidissement. Pour les configurations étudiées, les sorties au culot sont là encore les plus favorables puisqu'elles fournissent les débits les plus importants à travers le milieu poreux modélisant un échangeur aérothermique. Par ailleurs, la mise en place d'étanchéités de part et d'autre de l'échangeur améliore significativement le débit de refroidissement où une augmentation d'environ 45% est obtenue. La mise en place d'un modèle analytique permet de relier la traînée et le débit de refroidissement à partir d'une analogie entre les circuits électriques et les écoulements fluides. Il est alors possible de prévoir le sens d'évolution du débit de refroidissement, donc de la performance des échangeurs aérothermiques, à partir d'une modification géométrique interne au compartiment moteur.

L’écoulement de refroidissement, qui pénètre par les entrées d’air sous le capot des véhicules automobiles,est étudié à partir de trois approches complémentaires : les approches théorique, expérimentale et numérique. Ces trois approches s’appuient sur une maquette simplifiée à culot droit basée sur le corps de Ahmed et équipée d’un compartiment moteur. Les mesures expérimentales montrent que placer la sortie du compartiment moteur au culot de la maquette est plus favorable à une faible traînée de refroidissement qu’une sortie placée au niveau du soubassement. La contribution de la traînée de refroidissement dans la traînée totale peut ainsi varier de 2% à 24%. Les simulations numériques donnent elles accès au débit de refroidissement. Pour les configurations étudiées, les sorties au culot sont là encore les plus favorables puisqu’elles fournissent les débits les plus importants à travers le milieu poreux modélisant un échangeur aérothermique. Par ailleurs, la mise en place d’étanchéités de part et d’autre de l’échangeur améliore significativement le débit de refroidissement où une augmentation d’environ 45% est obtenue. La mise en place d’un modèle analytique permet de relier la traînée et le débit de refroidissement à partir d’une analogie entre les circuits électriques et les écoulements fluides. Il est alors possible de prévoir le sens d’évolution du débit de refroidissement, donc de la performance des échangeurs aérothermiques, à partir d’une modification géométrique interne au compartiment moteur. / The cooling airflow, which flows through the underhood of motor vehicles from the inlet sections, is studied by means of three complementary approaches: the theoretical, experimental and numerical approaches. The three approaches use a simplified geometry with a blunt rear end, based on the Ahmed body, and equipped with an engine compartment. The experimental measurements show that locating the outlet section of the engine compartment at the base of the geometry favors low cooling drag values compared to an outlet section located in the underbody. The variation of the cooling drag contribution in the total drag is between2% and 24%, as a function of the location of the outlet. As for the numerical simulations, they provide the cooling flow rates. For the studied configurations, rear end outlets are again the most favorable since they provide the highest flow rates through the porous media that simulates a heat exchanger. Besides, the implementation of sealing above and below the porous media significantly increases the cooling flow rate by45%. An analytical model, based on the analogy between electrical circuits and fluid flows, connects the aerodynamic drag with the cooling flow rate. It is then possible to predict the evolution trend of the cooling flow rate, hence the heat exchangers efficiency, from a geometrical modification inside the engine compartment.