Rapport d’étude Aérodynamique de CATI – novembre 2017

La prévision de la performance réelle d’un produit nécessite des outils de simulation.

L’étude  aérodynamique de la voiture a été effectuée sur le logiciel STAR-CCM+ de Siemens.
Le calcul comprend 2.1 millions de mailles sur une demi-voiture (plan de symétrie D /G).

C’est un maillage cut-cell hexaédrique avec 5 couches de prismes proche paroi d’une épaisseur totale de 6mm.

Vue du plan de symétrie (en bleu la symétrie et en gris la coque de la demi-voiture)

La simulation est effectuée à une vitesse de 10m/s (proche de la vitesse moyenne du véhicule durant la course) avec de l’air incompressible à 1.18415 kg/m^3 de masse volumique (état standard 25°C et 1013hPa).

C’est un modèle de turbulence standard k-Epsillon. La modélisation de la couche limite laminaire n’est pas parfaite car le Y+ vaut 5 avec des maximas locaux à 10.

Pour améliorer la simulation au prix d’un temps de calcul plus long, nous aurions dû mailler plus finement le sillage de la voiture et la couche limite proche paroi afin de mieux capter les tourbillons et décrochage. Cependant, nous avons déjà une simulation suffisamment précise.

Les limites de la simulation sont l’absence de rotation des roues et une CAO parfaite sans rétroviseur.

De cette étude numérique qui nous fournit les efforts aéro, nous pouvons en déduire les coefficients de trainée et de portance.

Soit , la force appliquée dans la direction i,
Avec , la masse volumique du fluide,
Avec , la surface frontale de l’obstacle,
Avec , le coefficient de frottement aéro dans la direction i,
Avec , la vitesse de l’écoulement en amont,

Pour réduire la trainée du véhicule, on peut donc réduire la surface frontale ou améliorer la pénétration dans l’air et surtout réduire la vitesse maxi en cours des essais en compétition.

Calcul de la surface frontale :

A partir de Catia, la section frontale de la voiture donne :

La voiture= 1.202 x 0.565 = 0.679 m2

Le poste de pilotage = 0.390 x 0.255 = 0.099 m2

Les roues prises dans un rectangle = 0.240 x 0.122 = 0.029 m2 x2 = 0.06

Soit une section frontale: 0.679 + 0.099 + 0.058 = 0.807 m2
Arrondi à  0.820 m2 en comptant les rétroviseurs.

Calcul du Cx :

L’effort de frottement est de 8.4N ce qui nous donne un Cx de 0.16 ce qui est très bon.
On note aussi une portance de 10.7N à cause de l’effet de sol et du poste de pilotage.

Détail de l’écoulement :

On remarque immédiatement qu’il n’y a très peu de recirculation car dans la CAO les roues sont très bien carénées et que la forme générale de la voiture suit des profils NACA.

On note une recirculation dans le sillage de la voiture à cause de la forme tronquée du véhicule. Cependant, il y aurait peu de gain à rallonger la voiture pour éviter cette recirculation sachant qu’on alourdirait le véhicule.

fig 1. Plan de symétrie

fig 2. Plan vertical / roue AR

fig 3. Plan de dessus axe roues

fig 4. Plan de dessus autour du toit

Remarque :
– On est à la limite du décrochage sur le dessus du toit (cf. fig 1)
Le carénage de la roue AR n’apporte rien en aéro (peu de différence de trainée entre avec et sans) et il pèse, le gain en aéro ne compense pas donc pas son poids
La raison de la faible efficacité du carénage est que la roue AR se situe dans le sillage de la roue AV.

Fig 5 Vue en coupe en dessous au niveau des roues AV et AR

Fig 6 Vue zoom sur la roue AV

CONCLUSIONS RAPIDES
En zoomant sur la roue AV, on voit qu’il est très important de la caréner le mieux possible.

Il faut amincir le profil à la fin pour tendre plus vers un aileron de requin.

On est à la limite du décrochage sur le dessus du profil NACA mais on a de la marge sur les côtés de la voiture (cf. fig 2 et 3) donc pour réduire la recirculation derrière la voiture on peut réduire la largeur de la voiture à l’arrière.

 

 

Étude aimablement réalisée par Thomas BRICHARD, ancien membre de l’Association CATI

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