Aérodynamique des VEHICULES ROUTIERS


Aérodynamique des VEHICULES à PROPULSION HUMAINE (VPH) & VEHICULES CARENNES (STREAMLINED) (Clic !)
Aerodynamique des AUTOMOBILES (Clic !)
Aerodynamique des CAMIONS (Clic !)


    Les traînées des véhicules routiers se composent de :
  • La traînée de pression (plus que majoritaire dans les véhicules qui nous intéressent) décollements, culots, turbulences.
  • La traînée de frottement visqueux (Couche limite laminaire ou turbulente)
  • La traînée des trains de roulements (roues tournantes)
  • Les traînées d'interaction entre les différents éléments de la carrosserie.
  • La traînée induite par la portance (dans le cas ou la forme fuselée génère une portance non nulle).
  • La traînée des écoulements internes (ventilation de l'habitacle).

PAC-CAR-II - LA référence absolue !
    la PAC CAR II détentrice du reccord absolue au marathon Shell (5385 km avec l'équivalent en hydrogène d'un litre de pétole) présente les caractéristiques suivantes :

  • Longueur : L = 2,78 m
  • Largeur : l = 0,57 m
  • Hauteur : h = 0,61 m
  • Voie : 0,50 m
  • Empattement : 1,50 m
  • Surface frontale : Sf = 0,254 m²
  • Coef. de traînée de pression : Cxp = 0,075 (Soufflerie)
  • Surface de traînée : SUTRA = Sf.Cxp = 0,01905 m²
  • Surface Mouillée Totale : SMT = 3,246 m²
  • Coef. de frottement équivalent plaque plane : Cfe = 5,87/1000
  • 50 % trainée de pression, 50 % traînée de frottement !
  • Nombre de Reynolds à 35 km/h : Re = 1,6.10^6
  • Masse à vide : Mv = 29 kg
  • Pneu : Michelin radial 45-75R16 Coef. resistance au roulement : Crr = 0,001
  • Pneu : Michelin 35-406 with tube. Coef. resistance au roulement : Crr = 0,002

(Courtoisie http://www.paccar.ethz.ch/)



  • La traînée de pression (plus que majoritaire dans les véhicules courant ne représente ici que 50 % de la traînée totale - c'est exceptionnel pour un véhicule routier).

    La surface frontale (Sf = 0,254 m² ) est réduite par une position très allongée du pilote et par le carrossage négatif des roues.

    Les décollements, culots et turbulences sont réduits aux minima par une forme fuselée convexe (pas de rétreints, forme bien "gonflée") en "berlingot" de rapport L/D = 5,6 se terminant à la poupe par une arrête verticale formant derive.
    A noter, un soin tout particulier pour minimiser les décollements par vent de travers par utilisation de généreux rayons de raccordements entre l'extrados et les flancs du fuselage.

    Sur la vidéo ci contre des essais en soufflerie de la PAC CAR II, vous noterez les décollements visibles lors de l'essais en incidence latérale (vent de travers) ainsi que la visualisation à la cane à fil de laine du tourbillon trombe qui se forme en aval de la carène lorsque celle ci est en incidence latérale.
    Egalement visible sur la fin de cette vidéo, le sillage turbulent très bien matérialisé par le filet de fumée lorsque ce dernier "lèche" le pantalon de roue arrière.

  • La traînée de frottement visqueux (Couche limite laminaire ou turbulente).

    Il est probable que la PAC CAR II obtienne un proportion non négligeable d'écoulement laminaire en conditions idéales (pas de vibrations, pas de turbulences, pas de pollution de la carène par des insectes).

    Le ruban adhésif placé au premier tiers de la caréne lors de l'essai en soufflerie est sans doute destiné à forcer la transition laminaire/turbulent au droit de maitre couple afin de simuler l'écoulement en conditions réelles (turbulent).

    Au Reynolds du véhicule (1,6 million) correspondant à sa vitesse de croisière de 35 km/h le coefficient de trainée d'une plaque plane est de 4/1000 en régime turbulent et de 3/1000 en régime de transition laminaire/turbulent. En supposant que 30% de la carène est en régime de transition laminaire/turbulent et que le reste est en turbulent, on obtient un coefficient de trainée équivalent plaque plane de :

    Cfe = 30%.Cfe laminaire/turbulent + 70%.Cfe turbulent
    Cfe = 0,3 x 3/1000 + 0,7 x 4/1000 = 3,7/1000

    La surface mouillée estimée à SMT = 3,246 m² engendre donc une surface de traînée visqueuse de :

    SUTRA visqueuse = SMT . Cfe
    SUTRA visqueuse = 0,012 m²

    Si l'on compare cette SUTRA de traînée visqueuse à la SUTRA soufflerie = Sf.Cxp = 0,01905 m² et à la SUTRA réelle sans doute pas très loin de 0,024 m² (les mesures de soufflerie ne tiennent pas compte de la rotation des trains de roues), on constate que la surface de traînée réelle est "en gros" deux fois plus élevée .
    Ce résidu de traînée de pression est équivalant à carré de 11 cm de côtés placé perpendiculaire à l'écoulement et qui ouvre un culot en permanence.
    Ce résidu de traînée de pression provient sans doute des petits décollements résiduels, de la traînée des trains de roulements (roues tournantes), et des traînées d'interaction.

  • La traînée des trains de roulements (roues tournantes)
    Minimisé par carènage total des roues dans des pantalons enveloppants. On ne distingue presque plus les pneumatiques.
  • Les traînées d'interaction entre les différents éléments de la carrosserie.
    Les pantalons de roues sont inclinées de manière à donner du carrossage négatif. Cela permet d'augmenter l'angle de raccordement avec la carène et donc de minimiser les traînée d'interaction.

  • La traînée induite par la portance (dans le cas ou la forme fuselée génère une portance non nulle).
    Sur la Pac Car II le problème semble réglé en donnant une incidence négative de 2,5° et une courbure très faible à la carène.



Charles MOCHET - VELOCAR - SUPERVELOCAR

Créateur du vélo à pédalage horizontal MOCHET (Vélo-Vélocar ou Vélorizontal)
Le Super Velocar, présente un très joli carènage, beau par sa simplicité.

(Courtoisie http://www.velorizontal.com/)


VECTOR

Concus au début des années 1980 pour la compétition, les Vectors furent les premiers vélomobiles à rechercher la performance pure.
La forme de carène suit un profil eiffel avec un maitre couple situé au premier tiers, et des rétreints très progressifs jusqu'à une arrête verticale au bord de fuite.
Les carènnages très enveloppants minimisaient la traînée des éléments roulants.

Reccord de l'heure (1980): 59,45 km/h
Reccord de sprint 94,77 km/h
Sf.Cxp = 0.046 m²

(Courtoisie http://home.comcast.net/~jeff_wills/vector/vector.htm)




John Simon - MOBY streamliner

Reccord de sprint en 1985 : 95,11 km/h

(Courtoisie )


whitehawk

Essais en soufflerie

(Courtoisie )


DREAMLINER III

Essais en soufflerie du DREAMLINER III.

Le rapport d'essais aérodynamiques (Clic !)

Longueur : 5.36 m
Hauteur : 0.74 m
Largeur : 0.50 m, 0.57 au niveau des roues.
Masse avec pilote : 350 kg
Voie : 0.34 m
Moteur 353cc refroidissement liquide, deux cylindre, deux temps
Puissance: 50 cv
Moteur supplémentaire 85cc refroidie par air, monocylindre, 2 temps.
Puissance du moteur supplémentaire : 8 cv
Transmission par chaine.

(Courtoisie http://www.geocities.com/motorcity/2078/index.html)


BUB 7

BUB 7 est la moto la plus rapide du monde : 564,7 km/h
A noter, la petite dérive pour augmenter la stabilité de route à haute vitesse.
Sur la deuxième vidéo, on distingue bien l'épaissisement de la couche limite et l'augmentation du sillage en aval du carénage.

(Courtoisie http://www.seven-streamliner.com/)

Video des essais en soufflerie (clic !)

Video des essais en soufflerie (clic !)




VARNA DIABLO

Le Varna Diablo 3 avec le Canadien Sam Whittingham à son guidon a pulvérisé son précédent record de vitesse pour VPH en atteignant 132 km/h (soit en gros un dixième de Mach !!!)
Poli aérodynamique, carénage enveloppant en berlingot afiné sur la poupe, surface frontale réduite au minimum, étagement des sections et SURTOUT, très gros potentiel du cycliste furent les recettes du succès !
Sf.Cxp = 0.02 m²

(Courtoisie )




ESSAIS aux fils de laine avec et sans verrière

Notez les écoulements décollés sur la poupe à l'origine des traînées de pression
La version complètement carénée présente une discontinuité du fuseau au maitre couple source potentielle de décollements..

(Courtoisie)


ESSAIS aux fils de laine d'un tricycle à carenage souple

Notez les écoulements décollés sur la poupe.

(Courtoisie)



ESSAIS aux fils de laine

Très interressante visualisation aux fils de laine. Notez les décollements au niveau de "l'ouverture" des liserets. Le rétreint trop prononcé en arrière du cockpit conduit à des décollemnts à l'origine d'un petit culot aérodynamique.

(Courtoisie http://www.wisil.recumbents.com/)


ESSAIS aux fils de laine d'un VPH à carenage tissus

Notez la direction des fils de laîne au niveau de la tête du pilote !

(Courtoisie)


Simulation numérique des écoulements sur le casque d'un cycliste

On imagine bien le culot aérodynamique provoqué par la position non optimale de la tête du cycliste.
Sur la video ci dessous, on visualise le culot derrière le cycliste.


Répartition des champs de pression sur Ecomobile

On notera :

  • les zone de "surpression" en rouge sur la proue (zone idéalement placée pour une ouverture de ventilation)

  • Les zones de "dépression en bleu foncées, situées en gros au maître couple et au premier tiers du véhicule. La recompression de l'écoulement à partir de ce point de pression minimale est sujet aux risques de décollements d'où un rétreint TRES progressif jusqu'à la poupe pour essayer de "récupérer" la pression amont et minimiser ainsi la traînée de pression.

(Courtoisie)


Lignes de courant & champs de pression sur Vélomobile

.

(Courtoisie )


Vélo-couché caréné & surface frontale !

Spectaculaire photo d'un vélo couché caréné où il est indénialbe que la position du pilote minimise la surface frontale. Malheureusement, il est fort probalbe que la traînée des deux roues dépasse en valeur la traînée de tout le reste du véhicule.

(Courtoisie)


Les "Chaise longue volantes" NSU de Gustav Adolf Baumm (1920 - 1955)

Adepte des motos couchés (!) Gustav Adolf Baumm artiste graphiste chevronné, avec l'aide des techniciens de NSU, dessina une carrosserie plus aérodynamique qui permit de briser 11 records mondiaux de vitesse en 1954.

1954/1955
151 km/h avec un moteur de 50cc
218 km/h avec un 125 cc

Pour les records de 1956 sur le grand lac salé la Baumm II a été modifié avec un moteur à compresseur de 50 cc (10 ch) qui lui permit d'atteindre 196 km / h, avec moteur de 100 cc (15,5 ch) 222 km/h et avec le moteur de la R11 125 cc ( 20 ch) 242 km/h.

Après la chute mortelle du dessinateur lors d'une manifestation de voitures en 1955 fut développé la Baumm III. Ce modèle était confortable et économique, HP Müller établi un reccord de consomation sur une distance de 500 km à la moyenne de 100 km/h et 1,13 l/100 km (5,65 l de carburant pour les 500 km).

(Courtoisie NSU)




NSU Delpin III

Véhicule de reccord NSU : 339,4 km/h avec un moteur de 500 cm3 en 1956.
Notez l'empennage vertical en guise de dérive pour améliorer la stabilité en lacet.

(Courtoisie NSU)




SOLAR CHALLENGE CAR

Voiture solaire en soufflerie. Sur la vidéo jointe, un essai aux fils de laine sur route ouverte. On distingue très nettement les décollements et le sillage engendré par le rétreint trop prononcé derrière le poste de pilotage.

(Courtoisie )


Coro-liner

Concilier légèreté et aérodynamisme : Carène en Coroplast autour d'un vélo couché.
Le constructeur à pu rouler à la vitesse moyenne de 53 km/h pendant 45 minutes, soit 13 km/h de mieux que sans carènage.
Le nez du carénage pivote en avant pour libérer l'accès et des "trappes à bombes" permettent le passage des pieds.

    Spécifications techniques :
  • longueur : 2650 mm
  • Largeur : 460 mm
  • Hauteur hors tout : 1110 mm
  • Hauteur de carène : 860 mm
  • Garde au sol : 250 mm
  • Masse totale: 15.5 kg
  • Coût total : 80 €
  • Temps de fabrication : 80 heures

(Courtoisie http://www.recumbents.com)



Aérodynamique des AUTOMOBILES


Aerodynamique de la Daihatsu UFE3

Avec 1,39 litres aux 100 km Daïhatsu à démontré son savoir faire dans les véhicules économiques. Le secret : une masse à vide de 440 kg et une surface de traînée SUTRA=Sf.Cxp=0,235 m²; (soit un Cxp=0,168).
La carène est un modèle de conception : fuseau en berlingot arrondie, pantalons de roue enveloppants avec arrête vive devant et rayon de raccordement derrière pour raccrocher l'écoulement perturbé par la rotation de la roue. Roues arrières entièrement carénnées.

(Courtoisie Daihatsu)



Essais aux fils de laine sur automobile Tatra

Visualisation des décollements sur le rétreint trop prononcé d'une automobile Tatra. Etude en tunnel aérodynamique au moyen de fumées.

(Courtoisie )


Ford Prob V

En 1985, Ford présentait son concept car Ford Probe V dont le Cxp atteignait 0,13 au prix d'une longueur de véhicule démesurée

(Courtoisie Ford)


KAMM

L'ingénieur Kamm avait étudié l'influence des rétreints tronqués sur l'aérodynamique des automobiles. Il était arrivé à la conclusion qu'une poupe tronquée au bon endroit entrainait une pénalisation en traînée acceptable eu égard à la diminution de l'encombrement que celà permettait.

(Courtoisie )


HONDA Insight

Etudes aérodynamique sur la Honda insight.
La honda insight avec sans poupe tronquée présente un Cxp = 0,25. (Masse à vide : 398 kg; Cxp = 0,25 d'où une consomation de 3.6 L/100 Km)
La photo du bas représente une remorque "intégrée" aérodynamiquement à la carène de la voiture par des paroies souples qui permettent à l'ensemble de prendre des virages, accroisent l'effilement et font tomber le Cxp à 0,12.
Exemple probant, pour ceux qui en douterait, de l'efficacité aérodynamique d'une poupe éffilée (au détriment certes de l'encombrement).

(Courtoisie Honda)



Simulation du phénomène d'aspiration

(Courtoisie )


Essais aux fils de laine sur automobile SAAB

Modele de la SAAB en soufflerie.

(Courtoisie )



Visualisation de l'écoulement autour d'une automobile DS de citroën.

On constate un décollement important un peu avant le hayon arrière causant une traînée de culot importante. On peut noter également le très bon écoulement sans décollement sous la voiture.

(Courtoisie H. Werlé, ONERA)


Visualisation des tourbillons marginaux et de la déflexion.

Cette visualisation en soufflerie est réalisé par une grille sur laquelle sont fixés des fils de laine. On obtient ainsi une coupe du sillage. On visualise très bien les tourbillons marginaux et la déflexion induite par la portance crée par le véhicule.

(Courtoisie)


Essais en soufflerie SOCEMA - GREGOIRE

(Courtoisie)


Un joli plat de spaghetti : Décollements et traînée de culot

Visualisation aux fils de laine du colut aérodynamique sur une honda civic. sur le flanc gauche, un carénage supplémentaire en carton est ajouté pour vérifier l'influence sur les décollements.

(Courtoisie)



Trainée de pression et traînée induite sur formule 1

Paradoxalement les formules 1 ont des traînées déplorables (Cxp = 1 voir plus). En effet, la débauche de puissance de ces engins les contraint à rechercher des appuis aérodynamiques pour accélérer ou freiner.

(Courtoisie)


Décollements, recirculation et culots sur jeep

Visualisation avec des bulles d'hélium des décollements, de la recirculation et des culots sur une jeep

(Courtoisie)


Filets de fumées sur BMW 328

Visualisation des écoulements aérodynamique à l'aide de fumées sur une BMW 328 à carène de type JAREY.

(Courtoisie)


Tricot sur NSU !

Test en soufflerie d'une NSU. Notez les décollements multiples au niveau des montants de pare brise ainsi que la direction peu ortodoxe des fils de laine sur les flancs.

(Courtoisie)


Naissance de l'aérodynamique des véhicules routiers !

Test en soufflerie d'automobile Rumple

(Courtoisie)





Bionic Car - Etude Mercedes pour un monospace !

En se basant sur l'étude des formes d'un poisson;, les designers de Mercedes ont conçu ce petit monospace "bionic". A partir de l'étude d'un petit poisson tropical au Cxp étonnant de 0.06, les ingénieurs ont réalisé une première maquette de soufflerie à l'échelle 1/4 qui réussi à obtenir un Cxp = 0,095. L'utilisation des formes étudiées précédement sur un petit monospace à permis à Daimler-Chrysler d'optenir le Cxp reccord de 0,19 sur son bionic Car.

(Source MERCEDES)






Aérodynamique des POIDS LOURDS


Simulation numériques des écoulements aérodynamiques sur un camion. Clic (5,8 Mo)

"L'aérodynamique : C'est une forme de politesse". Autre manière de dire que notre 38 tonnes ressemble à un pilier de rugby malpoli!
Décollements multiples dès le capot du tracteur !!


Simulation numériques des écoulements aérodynamiques sur le tracteur d'un semi remorque. Clic (5,3 Mo)

Le ruck violent entre le tracteur 'un semi remorque et les pauvres petites particules...!!







Essais Aérodynamiques correctifs sur camion (NASA)

Entre 1973 et 1982, le NASA Dryden Flight Research Center a mené une campagne d'essais de type "décéllération" afin de montrer les moyens de réduire la traînée des camions, autobus, automobiles et habitations. De nombreuses configurations ont été évaluées au moyen d'une camionette en forme de boîte, d'un camion à deux essieux, et d'un semi-remorque.

Les résultats de trois configurations d'essai de la camionette sont d'un grand intérêt pour l'industrie du transport lourd en démontrant la possibilité d'obtenir des Cxp = 0,25 pour les poids lourds.

Une troisième configuration de la camionette équipée d'une poupe tronquée à permis de réduire la traînée et d'atteindre un coefficient de traînée de Cxp = 0,242.

Le rapport d'essais :
Heavy-Duty Truck aerodynamic design



(Courtoisie NASA)