Présentation

  • Le programme Activ_ROAD a été sélectionné par l'ANR en 2015, dans l'axe 'Véhicules propres et sûrs', au titre des Projet de Recherche Collaborative - Entreprise (PRCE).
  • Le programme implique 3 partenaires académiques et 2 partenaires industriels.
  • Le démarrage scientifique du projet a eu lieu le 1er janvier 2016, sa durée est de 48 mois.
  • Le programme donne lieu à deux thèses de doctorat (36 mois) et un post-doctorat (12 mois)
  • L'acronyme Activ_ROAD vient de la contraction de 'Active Reduction Of Aerodynamic Drag', qui traduit l'objectif principal du programme : réduire la traînée aérodynamique des véhicules terrestres par voie active.

Partenaires

Contact
logo lmfa Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique, UMR 5509
logo pprime Laboratoire Pprime, UPR 3346
logo ampere Laboratoire Ampère, UMR 5505
logo Renault Trucks Renault Trucks, groupe Volvo
logo Peugeot Citroen SA PSA Peugeot Citroen

Contexte

Le programme s'inscrit dans la thématique 'Mobilité et Systèmes urbains durables' de l'appel à projet ANR 2015, dans l'axe 'Véhicules propres et sûrs ; Efficacité énergétique des véhicules : groupes motopropulseurs et approches globales'. Il concerne l'amélioration des performances aérodynamiques des véhicules terrestres, du point de vue énergétique. Les véhicules avec une forme arrière proche du parallélépipède, qu'ils correspondent à des véhicules de tourisme ou à des véhiules particuliers comme illustré en Figure 1, sont les cibles de ce programme.

illustration d'un véhicule type Peugeot 2008 (culot droit)

illustration d'un camion avec remorque parallélépipédique

Figure 1: Illustration de la similarité géométrique de la partie arrière des véhicules considérés dans le programme Activ_ROAD.


Contexte industriel et sociétal

Pour les véhicules ayant cette spécificité géométrique, le bénéfice écologique et économique d'une amélioration des propriétés aérodynamiques est potentiellement très significatif, dans un contexte de raréfaction des ressources fossiles, pour plusieurs raisons. D'une part, pour les véhicules avec moteur thermique, en améliorant l'aérodynamisme sans modification du cycle thermodynamique du moteur, la réduction de consommation de carburant se traduit directement par une réduction d'émission des polluants. De plus,

  • Pour les véhicules grand-routiers - poids lourds forte charge - la consommation moyenne est de 34 L/100 km et la consommation annuelle par véhicule est de 54 000 L. Le niveau moyen d'émission de CO2 est de 84 g par tonne de chargement et par kilomètre. Les caractéristiques de ce type de véhicule sont telles que, à vitesse stabilisée sur autoroute, 10% de réduction de traînée correspondrait à 3% de réduction de consommation de carburant. Sur un plan économique, le poste 'carburant' représente la dépense principale des compagnies de transport.


  • Pour les véhicules particuliers, le niveau annuel d'émission de CO2 dépasse les 22 milliards de tonnes. A l'horizon 2030, l'augmentation attendue de ce chiffre est de 57%. Pour les constructeurs d'automobiles, le niveau typique d'émission par véhicule européen est d'environ 110 g/km au début 2014. Cette performance est à mettre en perspective des cibles liées à la règlementation européenne, visant 95 g/km pour 2020 et 75 g/km pour 2025. Ces objectifs pourront être atteints par un travail sur la motorisation, sur la réduction du poids des véhicules et aussi par une amélioration significative des performances aérodynamiques des véhicules. La réduction de la traînée aérodynamique est une cible prioritaire dans la perspective de l'utilsation de technologies de motorisation alternatives, puisqu'elle permettra une amélioration de l'autonomie. Par exemple

    • à 50 km/h, la traînée aérodynamique contribue à hauteur de 50% de la résistance à l'avancement du véhicule

    • elle représente 80% de la résistance total à 130 km/h

    • pour un véhicule de la gamme M1 (type Peugeot 308) parcourant 100 kilomètres à 120 km/h, réduire la traînée de 25% permettrait de faire chuter la consommation en carburant d'environ 1.8 litres et les émissions de CO2 de 2 kg (20g/km). Transposée au cycle mixte WLTP, la réduction de consommation et d'émission directe de CO2 représenterait 0.15 L et 0.73 kg pour 100 km. Pour ce cyle, la consommation totale en France serait réduite de 0.5 millions de tonnes et les émissions CO2 de 3.3 millions tonnes.

Contexte scientifique

  • Dynamique de l'écoulement autour d'un corps 3D à culot droit
    • Détachement massif de l'écoulement au culot du corps ; différence majeure avec les configurations 'automobile' classiques, étudiées largement par le passé (corps de Ahmed à culot incliné)
    • Pas d'explication physique liant la dynamique de l'écoulement à la pression au culot

  • Application d'un contrôle d'écoulement à l'arrière du corps 3D pour modifier le détachement de l'écoulement
    • Le contrôle d'écoulement proposé ici repose sur l'utilisation conjointe d'éléments solides, de type volet, rapportés au culot du corps, et de jets pulsés placés à proximité immédiate de ces éléments rapportés. Le schéma donné en figure 1 illustre cette méthode.

    illustration de l'association jets pulsés/volet

    Figure 1: Méthode de contrôle utilisée pour le programme Activ_ROAD : association d'un élément passif (volet) et de jets pulsés

    Cette approche a été développée au cours de travaux précédents (Pprime, LMFA) :
    • Thèse CIFRE (LMFA/RT) S.Chaligné (2013) : Combinaison flap+jets pulsés inclinés
    • Thèse CIFRE (Pprime/PSA) D.Barros (2015) : Jets pulsés longitudinaux (+ Coanda)
    • Thèse CIFRE (LMFA/RT) M.Szmigiel (2017) : Effet de l'écoulement de soubassement sur dynamique du sillage
    • Thèse CIFRE (Pprime/PSA) R.Li (2017) : Stratégies de contrôle automatisées (LGP)
    La figure 2 illustre des résultats représentatifs de l'évolution de la traînée du corps avec la fréquence d'actionnement. Si la fréquence d'actionnement est suffisamment élevée, un gain significatif est obtenu sur la traînée. Un des objectifs du programme Activ_ROAD est d'étendre la gamme haute-fréquence du contrôle pour déterminer l'influence de telles perturbations sur la traînée globale.

    résultats lmfa traînée en fonction de fréquence d'actionnement résultats pprime traînée en fonction de fréquence d'actionnement

    Figure 2: Évolution de la traînée d'un corps non profilé avec la fréquence d'actionnement des jets pulsés situés au culot du corps. Résultats de (gauche) S.Chaligné, 2013, (droite) D.Barros, 2015.

Objectifs

Objectifs scientifiques

Identification des phénomènes physiques porteurs de réduction de traînée aérodynamique.
Définition et application de stratégies de contrôle d'écoulement adaptées aux particularités des applications industrielles.

Les objectifs généraux de ce programme sont les suivants :

  • Mener une étude expérimentale physique sur les propriétés aérodynamiques du sillage de corps non profilés à culot droit, sous l'influence de perturbations aérauliques à haute fréquence (jets pulsés) au voisinage de surfaces solides,
  • Exploiter des stratégies de contrôle variées et s'appuyer sur les configurations optimisées (dans l'espace des paramètres) pour mener les analyses des résultats expérimentaux (Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) sur l'ensemble du sillage et dans la zone d'interaction contrôle/écoulement incident, capteurs de pression stationnaire et instationnaires, anémométrie à fil chaud)
  • Étendre la validité de ces résultats expérimentaux aux configurations représentatives des applications industrielles (véhicules particuliers et poids lourds) et définir les lois d'échelle pour les paramètres physiques pertinents pour le contrôle.

Organisation du programme

Pour atteindre les objectifs du programme, une structuration en 4 tâches distinctes a été choisie :

    T1 - Étude expérimentale de référence sur la réduction de traînée par actionnement à haute fréquence.
    Étude du sillage turbulent 3D en aval d'une maquette générique. Analyse détaillée des effets d'un système de jets pulsés sur les caractéristiques aérodynamiques de cette maquette, dans la soufflerie S620 de Pprime. Application de stratégies de contrôle retenues par les partenaires, pour aider à la définition des paramètres de contrôle et à l'identification des valeurs pertinentes de ces paramètres, en vue de la mise en oeuvre d'analyses fines (PIV, pression instationnaire).
    T2 - Caractérisation des jets pulsés et adaptation de la loi de commande
    Un type d'électrovanne existante, fonctionnant jusqu'à une fréquence d'utilisation de 900 Hz, a été choisi pour fournir les jets pulsés. Les caractéristiques de ces derniers seront déterminées expérimentalement. L'électronique de pilotage des électrovannes sera ajustée pour permettre de contrôler l'évolution temporelle du flux en sortie de jet pulsé (et donc du flux de vorticité injecté dans l'écoulement).
    T3 - Robustesse et contrôle adaptatif
    Des stratégies innovantes de contrôle d'écoulements seront implémentées, en complément du travail effectué dans la tâche T1 et sur la base des résultats qui y sont obtenus. Les stratégies de contrôle en boucle fermée constituent une cible du programme, dans la perspective d'accroître la robustesse du contrôle par rapport à
    • des variations lentes de la vitesse d'écoulement et de variations temporelles de ce paramètre,
    • une modification de l'épaisseur de couche limite sur les côtés de la maquette.
    T4 - Dans la perspective des applications industrielles
    Les stratégies de contrôle utilisées précédemment sont adaptées aux particularités de chaque application industrielle considérée ici (véhicule particulier ou poids lourd). Des lois d'échelle sur les paramètres de contrôle permettant une réduction de traînée seront établies. Des maquettes représentatives des applications visées seront utilisées dans la soufflerie S620 de Pprime.

Résultats

Approche expérimentale

Pour les expériences envisagées, il a été nécessaire de développer une maquette générique pouvant être adaptée aux différentes tâches du programme, et un système de contrôle pneumatique piloté électroniquement.

  • La maquette générique a été conçue pour pouvoir être montée en soufflerie dans trois configurations distinctes, telles qu'illustrées sur la Figure 3
    • config 1: son grand côté est parallèle au sol, ce qui correspond à un rapport d'aspect largeur/hauteur supérieur à 1,
    • config 2 : son petit côté est parallèle au sol (rapport d'aspect inférieur à 1 dans ce cas), ce qui correspond à une rotation de 90 degrés par rapport à la configuration précédente.
    • config 3 : des jupes latérales et une grille de porosité variable peut lui être adjointe, ce qui permet de limiter le flux de soubassement

    illustration des différentes positions possibles pour la maquette

    Figure 3: Illustration des différentes configurations testées dans le programme
    (gauche) config1 ; (milieu) config2 ; (droite) config 3.
    La dimension G désigne la garde au sol, qui est un des paramètres physiques de l'étude.

  • Étude détaillée des jets pulsés pour le contrôle : caractérisation de l'écoulement en sortie de convergent. La présence d'effets pneumatiques dans la conduite a été montrée, ce qui se caractérise par des ondes de pression entre l'électrovanne et le convergent permettant de former chaque jet pulsé. Ces ondes acoustiques ont un effet notable sur l'évolution de la vitesse moyenne et maximale avec la fréquence d'actionnement.

  • Simulations numériques RANS du modèle dans les configurations 1 et 2, et étude du comportement de l'écoulement autour du nez de la maquette. Les caractéristiques géométriques du nez de la maquette ont été choisies pour éviter un décollement marqué de l'écoulement au contournement de la maquette, dans la perspective des expériences en soufflerie. Les résultats des simulations numériques, illustrés en Figure 4, indiquent une absence de décollement de l'écoulement dans ce cas, ce qui valide a priori le design pour les essais en soufflerie.

    illustration du champ de vitesse autour de la maquette (config1)

    Figure 4: Vitesse instantanée dans un plan vertical autour de la maquette (config. 1).

  • Design et réalisation des circuits électroniques de commande des 32 électrovannes contenues dans la maquette pour la génération des jets pulsés. Les paramètres réglables pour piloter ces électrovannes sont l'évolution temporelle du courant pendant la phase d'ouverture de l'électrovanne et la valeur du courant de maintien, nécessaire au maintien de l'électrovanne ouverte pendant la durée souhaitée.




Dissémination des connaissances

Promotion de la culture scientifique et technique

Liens

En complément des liens vers les partenaires impliqués dans le projet, disponibles dans la rubrique Partenaires, on répertorie ici différentes pages en lien avec les activités développées dans le programme Activ_ROAD.