Etude de l'écoulement autour des ensembles roulants d'un véhicule en vue de l'optimisation aérodynamique du pneumatique

Doctoral thesis French OPEN
Croner , E. (2014)
  • Publisher: HAL CCSD
  • Subject: CFD | RANS | AERODYNAMICS | AERODYNAMIQUE | WHEEL | TURBULENCE | UNSTEADY | PNEUMATIQUE | [ PHYS.PHYS.PHYS-FLU-DYN ] Physics [physics]/Physics [physics]/Fluid Dynamics [physics.flu-dyn] | TYRE | URANS | AUTOMOBILE | INSTATIONNAIRE | CAR | ROUE | ELSA

As a collaborative task between Michelin and ONERA, this thesis aims to investigate the complex unsteady 3D flow around car wheels and to identify the mechanisms of drag production linked to this part of the car thanks to URANS unsteady numerical simulations using ONERA's Navier-Stokes code elsA The wheels (i.e. rims and tyres) are indeed a promising research topic in the field of car aerodynamics. The part of the total drag due to the wheels and wheelhouses is indeed estimated between 20% and 40%. The first step towards wheel optimisation is to achieve full understanding of the aerodynamic phenomena produced around them. The analysis of the flow for three types of tyres (smooth, rough, grooved), both around isolated wheels and around a simplified vehicle, brings further understanding of the flow physics. This work completes previous studies in this field thanks to the description of basic flows around smooth wheels and the study of unsteady effects. It describes the arrangement of vortical structures around an isolated wheel and around the front and rear wheels of a simplified vehicle. Moreover, the analysis of the flow unsteadiness facilitates understanding of the flow dynamics by highlighting the generation of the main vortices and the interaction phenomena with the car body. The validation of numerical models is performed with specific experiments by Michelin on both an isolated wheel and a vehicle configuration. Finally, the use of different tyres shows their ability to modify both space and time characteristics of the whole flow, thus modifying the power dissipated by the car drag and the rotation moment of the wheels.; Cette thèse, collaboration entre Michelin et l'ONERA, propose de mettre en œuvre des simulations instationnaires URANS grâce au code Navier-Stokes elsA de l'ONERA en vue d'analyser l'écoulement complexe 3D instationnaire se développant au voisinage des roues d'un véhicule et d'identifier les mécanismes à l'origine de la production de traînée. En effet, les roues (jantes et pneumatiques) constituent un nouvel axe de recherche prometteur en aérodynamique automobile car on estime de 20% à 40% la contribution des roues et passages de roues à la traînée totale. Cependant, leur optimisation nécessite en premier lieu une compréhension complète des phénomènes aérodynamiques mis en jeu. Les analyses spatio-temporelles menées sur roue isolée et sur véhicule pour trois types de pneumatiques (lisse, rugueux, avec sillons) apportent de nouveaux éléments de compréhension sur la physique de l'écoulement. Ce travail répond notamment aux limites principales des études précédentes grâce à la description de l'écoulement sur des géométries de référence incluant des pneumatiques déformés lisses et grâce à l'étude de l'instationnarité. Les analyses spatiales permettent de décrire l'organisation des structures tourbillonnaires sur roue isolée puis autour des roues avant et arrière d'un véhicule simplifié. Les analyses temporelles facilitent quant à elles la compréhension de la dynamique de l'écoulement par la mise en évidence de la génération des tourbillons et des mécanismes d'interaction avec la carrosserie. Des validations expérimentales sont effectuées à la fois sur roue isolée et sur véhicule en soufflerie. Enfin, l'utilisation de plusieurs types de pneumatiques démontre leur capacité à modifier les caractéristiques spatio-temporelles de l'ensemble de l'écoulement et à jouer ainsi sur la puissance dissipée par le véhicule via la traînée et le moment de rotation des roues.
  • References (188)
    188 references, page 1 of 19

    Etat de l'art 5 1 Mise en évidence de l'aérodynamique caractéristique des roues de voitures . . . . 6 2 Importance des conditions de roulement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1 Contact au sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2 Rotation des roues et translation du sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3 Déformation du pneumatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3 Contribution des roues à l'aérodynamique totale d'un véhicule . . . . . . . . . . . 12 3.1 Traînée propre des ensembles roulants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.2 Influence des roues avant et arrière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 4 Importance d'une représentation détaillée des pneumatiques . . . . . . . . . . . . 14 4.1 Dimensions de la roue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 4.2 Forme des épaules du pneumatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 4.3 Sculptures de la bande de roulement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 5 Vers une meilleure compréhension des phénomènes physiques . . . . . . . . . . . 17 5.1 Roues isolées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 5.2 Véhicules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

    Méthodes 25 1 Résolution numérique des écoulements aérodynamiques turbulents . . . . . . . . 25 1.1 Les écoulement turbulents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.2 Approches numériques instationnaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2 Modélisation de la turbulence en simulations RANS . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.1 Principe des modèles du 1er ordre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2 Modèle à 1 équation de Spalart-Allmaras . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3 Modèle à 2 équations k-kL de l'ONERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.4 Modèles à 2 équations de type k-ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.5 Modélisation SAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.6 Modélisation de la rugosité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3 Code de calcul elsA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.1 Présentation générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.2 Intégration spatiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3 Intégration temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.4 Préconditionnement bas-Mach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4 Analyses spectrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

    5 Identification des structures tourbillonnaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

    6 Analyses de traînée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 6.1 Méthode champ proche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 6.2 Méthode champ lointain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 6.3 Méthode des micro-traînées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

    1 Choix et adaptation des paramètres numériques 43 1 Elaboration du domaine de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 1.1 Géométries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 1.2 Conditions aux limites en champ libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2 Maillages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.1 Maillage des roues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.2 Maillage du véhicule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3 Sélection des modèles numériques pour la résolution de l'écoulement . . . . . . . 54 3.1 Type de simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.2 Schémas d'intégration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.3 Modèles de turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

    2 Caractérisation de l'écoulement en présence d'un pneumatique lisse 59 1 Analyses spatiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 1.1 Phénomènes caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 1.2 Structures tourbillonnaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2 Efforts aérodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3 Analyses temporelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

    3 Validation expérimentale du modèle numérique 73 1 Description des essais en soufflerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 2 Reproduction numérique des essais en soufflerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3 Validation des données spatiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4 Validation des données temporelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.1 Description du sillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.2 Validation des méthodes numériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

    4 Impact de deux modifications du pneumatique sur l'écoulement autour de la roue isolée 87 1 Particularité des deux effets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 1.1 Rugosité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 1.2 Sillons longitudinaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 2 Analyses spatiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 2.1 Phénomènes caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 2.2 Agencement des structures tourbillonnaires . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

    3 Efforts aérodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.1 Pneumatique rugueux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 3.2 Pneumatique 3 sillons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

    4 Analyses temporelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

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