Brevet FR3109358A1 — publié le 20211022

ELEMENT AERODYNAMIQUE AVEC BORD DE FUITE A CHEVRONS POUR VEHICULE AUTOMOBILE L’invention a trait à un élément extérieur (12) de véhicule automobile, comprenant une surface de guidage (14) d’un écoulement d’air principal (2) provoqué par le déplacement du véhicule, ladite surface de guidage (14) présentant un bord de fuite (16) séparant l’écoulement d’air principal (2) d’un écoulement d’air secondaire (4) en aval de l’élément extérieur (12). Le bord de fuite (16) présente, dans l’étendue de la surface de guidage (14), un profil en chevrons (16.1) pointant vers l’aval de manière à former, en aval de chacun desdits chevrons (16.1), entre les écoulements d’air primaire (2) et secondaire (4), deux tourbillons contrarotatifs (18, 20). (Figure à publier avec l'abrégé : Figure 4) ELEMENT AERODYNAMIQUE AVEC BORD DE FUITE A CHEVRONS POUR VEHICULE AUTOMOBILE L’invention a trait au domaine de l’aérodynamique, plus particulièrement de l’aérodynamique de véhicules automobiles. La trainée aérodynamique d’un corps en mouvement dans un fluide, en l’occurrence l’air, est la résultante des forces exercées par l’écoulement fluide, qui s’oppose au mouvement du corps. Elle comprend la trainée de frottement liée au frottement du fluide le long des surfaces du corps et la trainée de forme dès lors que les lignes de courant de l'écoulement ne sont pas parallèles en tout point à la surface du corps. Dans le cas d’un véhicule automobile, la trainée de forme est la trainée principale. Elle est aussi la résultante de zones de dépression dues à une recirculation d’air provoquée par un décollement de l’écoulement le long de variations abruptes de la surface extérieure du véhicule. Ce phénomène est présent par exemple aux passages de roues, aux rétroviseurs extérieurs, au soubassement et surtout à la face arrière du véhicule. Il est communément admis que la face arrière d’un véhicule automobile contribue à concurrence de 25 à 30% de la trainée totale du véhicule. Les véhicules automobiles présentant un hayon, c’est-à-dire un couvercle de coffre arrière, comprenant une vitre, communément appelée lunette arrière, présentent l’inconvénient général qu’une zone de recirculation d’air se forme sur la face arrière du véhicule, provoquant une dépression et donc augmentant la trainée. Il est courant de prévoir un becquet situé à l’arrière du toit afin de fixer un point de décollement de l’écoulement et la pression en ce point, ainsi imposée en amont et en aval, faisant baisser l’intensité de la recirculation . Le document de brevet publié FR 3 059 964 A1 divulgue un becquet arrière pour véhicule automobile, comprenant des écopes escamotables, configurées pour, lorsqu’elles sont déployées, guider une partie de l’écoulement d’air à l’arrière du toit du véhicule directement vers le haut de la vitre arrière, de manière à la nettoyer. Le document de brevet publié US 9,371,098 B divulgue un becquet arrière équipé de deux passages d’air à chacune des deux extrémités latérales, de manière à contrecarrer les vortex latéraux participants à la trainée aérodynamique. Le document de brevet publié GB 2 486 517 B2 divulgue un becquet arrière constitué de deux éléments distincts disposés de chaque côté latéral du hayon arrière et comprenant, chacun, une entrée d’air et une sortie d’air correspondante destinée à contrecarrer les vortex latéraux participants à la trainée aérodynamique. Le document de brevet publié WO 2018/163528 A1 divulgue un accessoire aérodynamique disposé sur les flancs arrière d’un véhicule automobile et comportant des ailettes destinées à réduire l’effet de portance généré par la dépression sur la partie haute de la face arrière du véhicule. L’invention a pour objectif de pallier au moins un des inconvénients de l’état de la technique susmentionné. Plus particulièrement, l’invention a pour objectif de réduire la trainée provoquée par un bord de fuite séparant un écoulement fluide principal d’un écoulement fluide secondaire à recirculation. L’invention a pour objet un élément extérieur de véhicule automobile, comprenant une surface de guidage d’un écoulement d’air principal provoqué par le déplacement du véhicule, ladite surface de guidage présentant un bord de fuite séparant l’écoulement d’air principal d’un écoulement d’air secondaire en aval de l’élément extérieur ; remarquable en ce que le bord de fuite présente, dans l’étendue de la surface de guidage, un profil en chevrons pointant vers l’aval de manière à former, en aval de chacun desdits chevrons, entre les écoulements d’air primaire et secondaire, deux tourbillons contrarotatifs. Les tourbillons contrarotatifs sont autour d’une direction principale s’étendant suivant une direction principale de l’écoulement d’air principal. L’élément extérieur est un élément aérodynamique pour la carrosserie ou toute autre partie extérieure du véhicule automobile, comme notamment les roues, le soubassement ou les bras de suspension des roues. Selon un mode avantageux de l’invention, les chevrons sont au nombre d’au moins 3, préférentiellement au moins 4. Selon un mode avantageux de l’invention, chaque chevron forme deux portions du bord de fuite, convergentes vers l’aval et formant un angle moyen inférieur à 180°, préférentiellement inférieur à 100°. Selon un mode avantageux de l’invention, le bord de fuite comprend des portions transversales reliant les extrémités aval des chevrons. Selon un mode avantageux de l’invention, la surface de guidage et le bord de fuite s’étendent transversalement à l’écoulement d’air principal, entre deux extrémités transversales et entre deux plans distants de moins de 20% de la distance entre lesdites deux extrémités transversales. Selon un mode avantageux de l’invention, ledit élément extérieur est configuré pour former une cavité sous le bord de fuite, apte à former l’écoulement d’air secondaire. Selon un mode avantageux de l’invention, ledit élément extérieur est un becquet arrière de toit du véhicule automobile. L’invention a également pour objet un véhicule automobile comprenant au moins un élément extérieur, remarquable en ce que l’au moins un élément extérieur est selon l’invention. Selon un mode avantageux de l’invention, le véhicule comprend une carrosserie et un soubassement, et l’au moins un élément extérieur est un accessoire aérodynamique fixé à la carrosserie ou au soubassement. Selon un mode avantageux de l’invention, le véhicule automobile comprend un hayon arrière avec une vitre inclinée par rapport à l’horizontale, l’au moins un élément de carrosserie étant un becquet arrière de toit adjacent à un bord supérieur de la vitre inclinée. Les mesures de l’invention sont intéressantes en ce qu’elles permettent de réduire la trainée aérodynamique formée essentiellement au niveau de l’écoulement secondaire, en aval du bord de fuite. Les bords de fuite d’un écoulement primaire, suivis d’une marche (en contrebas, c’est-à-dire s’éloignant transversalement de l’écoulement primaire) où se forme un écoulement secondaire avec recirculation sont nombreux sur un véhicule automobile ainsi que sur tout objet de forme complexe sujet à un écoulement fluide, soit par déplacement dudit objet par rapport au fluide, soit par déplacement du fluide par rapport à l’objet, soit encore par une combinaison de déplacements du fluide et de l’objet. Une telle marche présente un profil divergent par rapport à la surface de guidage de l’écoulement primaire et le bord de fuite. est une représentation schématique de la face arrière d’un véhicule et des phénomènes aérodynamiques provoquant une trainée ; est une vue de côté de l’arrière d’un véhicule automobile équipé d’un becquet arrière ; est une vue en perspective d’un véhicule automobile équipé d’un becquet arrière conforme à l’invention ; est une vue de détail d’une partie du becquet arrière de la figure 3, illustrant les phénomènes aérodynamiques ; est une double vue arrière et de côté de la face arrière du véhicule automobile des figures 3 et 4, illustrant, en partie gauche, la distribution du coefficient de pression Cp, et en partie droite, la distribution des forces de pression moyennes ; est une représentation géométrique d’un élément de carrosserie, selon l’invention ; est une représentation géométrique d’un élément de carrosserie, selon une variante de l’invention. Description détaillée La figure 1 illustre de manière schématique l’écoulement d’air le long de la face arrière d’un véhicule. On observe que l’écoulement principal 2 le long du toit du véhicule se décolle de la lunette arrière en raison de la variation géométrique abrupte et génère alors un écoulement secondaire tourbillonnaire 4. Ce dernier a tendance à former une recirculation d’air le long de la lunette arrière. La dépression formée par cette recirculation d’air favorise la formation des deux tourbillons principaux 6 et 8 à partir des écoulements latéraux le long des flancs du véhicule. Ces deux tourbillons principaux 6 et 8 sont contrarotatifs en ce qu’ils tournent dans des sens opposés. Ils sont assez puissants et augmentent la trainée au niveau de la face arrière du véhicule. Le phénomène décrit ci-avant est particulièrement néfaste pour des angles d’inclinaison de la lunette arrière compris entre 30° et 40°, ces angles étant prisés d’un point de vue pratique et esthétique. En effet, pour des angles plus faibles ( 40°), le décollement de l’écoulement principal 2 par rapport à la lunette arrière est important et l’écoulement secondaire 4 de recirculation est davantage vers l’arrière, de sorte que l’intensification des deux tourbillons principaux contrarotatifs est également limitée. La figure 2 est vue de profil de la partie arrière d’un véhicule automobile équipé d’un becquet arrière de toit, c’est-à-dire situé à l’arrière du toit et au-dessus de la lunette arrière. Un tel becquet permet de prolonger la surface de guidage formée par le toit et, partant, de faire passer l’angle d’inclinaison vu par l’écoulement à une valeur δ supérieure à l’angle géométrique φ d’inclinaison de la lunette arrière. La figure 3 illustre en perspective un véhicule automobile 2 équipé d’un becquet arrière de toit 12 conforme à l’invention. Le becquet 12 est fixé au hayon arrière du véhicule automobile, étant toutefois entendu que ce becquet peut également être fixé au toit du véhicule. Le becquet 12 comprend une surface guidage 14 de l’écoulement principal le long du toit, et un bord de fuite 16 formant un bord arrière de la surface de guidage 14. Ce bord de fuite 16 présente un profil, dans l’étendue de la surface de guidage et du bord en question, formant des chevrons. La figure 4 est une vue de détail d’une partie du becquet arrière de la figure 3. On peut observer que chaque chevron 16.1 forme deux portions 16.2 et 16.3 du bord de fuite 16, qui convergent vers l’aval. L’écoulement principal 2 représenté par les flèches V 0 rencontre alors l’écoulement secondaire 4, pour chaque chevron 16.1, via les deux portions 16.2 et 16.3 du bord de fuite correspondant à ce chevron. Ces deux portions sont inclinées par rapport à la direction V 0 de l’écoulement principal 2, et ce de manière contraire. Cette rencontre entre ces deux écoulements via ces portions du bord de fuite inclinées va générer deux tourbillons secondaires contrarotatifs 18 et 20. Le tourbillon secondaire 18, vu depuis l’aval, tourne dans le sens horloger alors que le tourbillon secondaire 20, également vu depuis l’aval, tourne dans le sens anti horloger. Ce phénomène a lieu à l’aval de chaque chevron 16.1, comme cela est visible à la figure 4. Avantageusement, les portions d’extrémité 16.4 du bord de fuite 16 sont configurées pour ne former qu’un seul tourbillon secondaire 22 tournant dans un sens s’opposant au tourbillon principal correspondant 6 (voir figure 1), de manière à s’y opposer. La figure 4 ne montre que la portion d’extrémité gauche (dans le sens de déplacement du véhicule en marche avant) 16.4 du bord de fuite 16, étant entendu que la portion d’extrémité droite du bord de fuite est symétrique et génère un tourbillon secondaire tournant dans le sens opposé au tourbillon principal correspondant 8 (voir figure 1). La formation des tourbillons secondaires qui vient d’être décrite a essentiellement deux effets. Le premier effet est relatif aux deux tourbillons secondaires d’extrémité 22. Chacun de ces deux tourbillons secondaires 22 s’oppose au tourbillon principal 6 ou 8 (voir figure 1) adjacent et permet ainsi de les réduire. Leur réduction permet de diminuer de manière sensible la trainée au niveau de la face arrière du véhicule. Le second effet est relatif aux paires de tourbillons secondaires contrarotatifs 18 et 20 formées à chaque chevron, entre les tourbillons secondaires d’extrémité. Ces paires de tourbillons secondaires contrarotatifs 18 et 20 modifient l’entrainement de la couche de mélange entre l’écoulement principal 2 et l’écoulement secondaire 4, en aval du bord de fuite 16, et ainsi en diminuent l’épaisseur. Cette diminution d’épaisseur de la couche de mélange diminue le décollement de l’écoulement principal 2 et, partant, réduit la taille de la bulle de recirculation de l’écoulement secondaire 4. Ces phénomènes et effets ont été confirmés par des simulations et mesures expérimentales d’écoulement le long d’un véhicule équipé d’un becquet arrière de toit conventionnel et du même véhicule équipé d’un becquet selon l’invention. Des représentations tomographiques de vorticité longitudinale montrent bien la formation de tourbillons secondaires ainsi que leur position par rapport aux deux tourbillons principaux. Des représentations tomographiques de pression totale dans le sillage du véhicule montrent un abaissement des courbes de même pression totale, suivant le sillage, correspondant à une diminution du décollement de l’écoulement principal. Similairement, des représentations tomographiques de vorticité dans le sillage du véhicule montrent un raccourcissement de la bulle de recirculation dans l’écoulement secondaire. La vue de gauche de la figure 5 illustre la distribution de différence de coefficient de pression C p sur la face arrière du véhicule, entre une configuration selon l’invention et une configuration où le bord de fuite du becquet est conventionnel, c’est-à-dire généralement droit. Le coefficient de pression C p est un coefficient aérodynamique adimensionnel couramment utilisé dans l’étude et la représentation graphique de la distribution des pressions autour de corps placés dans un écoulement de fluide incompressible. Le coefficient de pression C p vaut 1 lorsque la pression locale, par exemple le long d’une perturbation, est une pression d’arrêt, c’est-à-dire vaut la pression statique additionnée de la pression dynamique en amont de la perturbation, 0 lorsque la pression locale, par exemple le long de la perturbation, vaut la pression statique associée aux conditions à l’infini amont de la perturbation et est négatif lorsque la pression locale, par exemple le long de la perturbation, est inférieure à la pression statique en amont de la perturbation. Plus particulièrement, la vue de gauche est une vue de face de la face arrière du véhicule, montrant par des niveaux de gris la distribution de la différence de coefficient de pression C p entre un véhicule selon l’invention et un véhicule conventionnel. Les zones très claires ou blanches correspondent à des différences (ou delta Δ) négatives et les zones foncées correspondent à des différences positives. Cela signifie que l’invention diminue le coefficient pression C p sur la partie haute mais l’augmente sur la partie basse. La vue de droite de la figure 5 est une vue de côté de la face arrière du véhicule montrant deux courbes de forces de pression moyennes le long de ladite face arrière, dans un plan longitudinal. Les flèches sont une représentation vectorielle des forces de pression moyennes. La courbe en trait interrompu correspond au véhicule avec le becquet conventionnel alors que la courbe en trait continu correspond au véhicule avec le becquet selon l’invention, tel qu’illustré aux figures 3 et 4. En partie haute, on observe que le coefficient de pression C p , négatif, est plus grand en valeur absolue, avec l’invention, ce qui signifie que l’effort résultant est plus grand. Par contre, en partie basse, on observe que le coefficient de pression C p , également négatif, est plus petit en valeur absolue, avec l’invention, ce qui signifie que l’effort résultant est plus faible. L’effort total sur la face arrière s’avère être plus faible avec l’invention. Ceci résulte de la différence de distribution du coefficient de pression C p ainsi que du profil de la face arrière. En effet, la partie haute, correspondant à la lunette arrière, présente une inclinaison importante par rapport à la verticale, signifiant que la composante horizontale de la pression est davantage réduite que sur la partie basse qui est sensiblement moins inclinée. Il aussi à noter que la réduction de trainée obtenue par le bord de fuite en chevrons permet de modifier l’inclinaison du becquet, notamment vers le haut afin de réduire la portance, sans pour autant augmenter de manière non acceptable la trainée au niveau de la face arrière du véhicule. Les phénomènes et avantages qui viennent d’être décrits en relation avec le becquet arrière de toit d’un véhicule s’appliquent à d’autres éléments de carrosserie ainsi que tout élément extérieur comprenant une surface de guidage et un bord de fuite en aval de ladite surface, séparant un écoulement principal d’une écoulement secondaire induit par l’écoulement principal en aval du bord de fuite. Il peut s’agir notamment des bords d’ailes à l’avant des passages de roue avant et/ou arrière, les bords de fuites de coques de rétroviseurs extérieurs, des raccordements entre deux panneaux de carrosserie, comme par exemple entre deux portes adjacentes, les zones de raccordement entre les flancs arrière et la face arrière, les coins de becquet, les bords de fuite d’écrans sous la caisse du véhicule et/ou sur les éléments de suspensions (comme les bras de liaison des roues à la caisse), les bords de fuite de bâtons de jantes ou d’enjoliveurs de jantes, et/ou les bords de fuite du carter de moto-ventilateur. La figure 6 illustre différents paramètres géométriques d’un élément de carrosserie selon l’invention, applicable au becquet tel qu’illustré ci-avant ou encore à toute autre application, notamment telle qu’énumérée ci-avant. Chaque chevron 16.1 forme deux portions 16.2 et 16.3 du bord de fuite 16. Ces deux portions 16.2 et 16.3 sont en l’occurrence schématisées par des portions rectilignes, étant toutefois entendu qu’elles peuvent être courbes, notamment avec des points d’inflexion et des changements de convexité. Elles convergent vers l’arrière ou aval et sont inclinées d’un angle α et β, respectivement, par rapport à la direction de l’écoulement principal, qui est en l’occurrence perpendiculaire à une direction principale du bord de fuite 16. Avantageusement les angles α et β sont égaux. Chacun des angles α et β est avantageusement compris entre 10° et 80°, plus avantageusement entre 20° et 50°. L’angle α+β entre les deux portions 16.2 et 16.3 du bord de fuite 16, formées par un chevron 16.1, est avantageusement compris entre 20° et 160°, plus avantageusement entre 30° et 100°. Les deux portions 16.2 et 16.3 du bord de fuite 16 ne convergent pas nécessairement pour former une pointe, une portion arrondie ou plate 16.5 telle qu’illustrée à la figure 6 peut être prévue. Il en va de même pour les creux entre les chevrons 16.1. Des rayons de courbure R 1 , R 2 , R 3 et R 4 , ou toute autre forme de raccordement (comme une portion d’ellipse, un profil parabolique, etc.) peuvent être prévus afin de former des arrondis. L’étendue vers l’aval des chevrons 16.1, exprimée par les longueurs L 1 et L 2 , leurs largeur l et leur pas e peuvent prendre différents valeurs en fonction notamment de la taille totale de l’élément de carrosserie et des conditions d’écoulement qui vont y régner. La figure 7 illustre un élément de carrosserie selon une variante de l’élément de carrosserie de la figure 6, conforme à l’invention et applicable au becquet tel qu’illustré ci-avant ou encore à toute autre application, notamment telle qu’énumérée ci-avant. Les signes de référence de la figure 6 sont utilisés pour désigner les éléments identiques ou correspondant, ces signes étant toutefois complétés d’un signe « ‘ » (prime) à des fins de distinction entre ces deux modes de réalisation de l’invention. Il est par ailleurs fait référence à la description de ces éléments en relation avec la figure 6. L’élément de carrosserie 12’ de la figure 7 se distingue de celui de la figure 6 en ce que les extrémités aval des chevrons 16’.1 sont reliées entre elles par des portions transversales 16’.5 de paroi. Ces portions transversales 16’.5 présentent une largeur L 1 -L 2 inférieure à L 1 , avantageusement inférieure à 50%, plus avantageusement inférieure à 20%, de la longueur L 2 exprimant l’étendue, vers l’aval, des portions inclinées 16’.2 et 16’.3 du bord de fuite 16’. Les portions transversales présentent l’avantage de stabiliser et/ou renforcer les extrémités aval des chevrons et d’éviter la formation de zones pointues ou contondantes. Ces portions transversales 16’.5 peuvent par ailleurs présenter une section profilée d’un point de vue aérodynamique, comme notamment avec des bords arrondis, une section elliptique ou encore une section en profil d’aile d’avion, de manière à réduire sa trainée. De manière générale, l’élément de carrosserie formé par la surface de guidage de l’écoulement primaire et le bord de fuite de ladite surface de guidage est avantageusement généralement plan ou présente une ou plusieurs courbures tout en restant généralement plan, à savoir compris entre deux plans distants l’un de l’autre d’une distance inférieure à 20% de la distance entre lesdites deux extrémités transversales. Elément extérieur (12 ; 12’) de véhicule automobile (10), comprenant une surface de guidage (14 ; 14’) d’un écoulement d’air principal (2) provoqué par le déplacement du véhicule (10), ladite surface de guidage (14 ; 14’) présentant un bord de fuite (16 ; 16’) séparant l’écoulement d’air principal (2) d’un écoulement d’air secondaire (4) en aval de l’élément extérieur (12 ; 12’) ;caractérisé en ce que le bord de fuite (16 ; 16’) présente, dans l’étendue de la surface de guidage (14 ; 14’), un profil en chevrons (16.1 ; 16’.1) pointant vers l’aval de manière à former, en aval de chacun desdits chevrons (16.1 ; 16’.1), entre les écoulements d’air primaire (2) et secondaire (4), deux tourbillons contrarotatifs (18, 20). Elément extérieur (12 ; 12’) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les chevrons (16.1 ; 16’.1) sont au nombre d’au moins 3. Elément extérieur (12 ; 12’) selon l’une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque chevron (16.1 ; 16’.1) forme deux portions (16.2, 16.3 ; 16’.2, 16’.3) du bord de fuite (16 ; 16’), convergentes vers l’aval et formant un angle moyen (α+β) inférieur à 100°. Elément extérieur (12’) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le bord de fuite (16’) comprend des portions transversales (16’.5) reliant les extrémités avals des chevrons (16’.1). Elément extérieur (12 ; 12’) selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la surface de guidage (14 ; 14’) et le bord de fuite (16 ; 16’) s’étendent transversalement à l’écoulement d’air principal (2), entre deux extrémités transversales et entre deux plans distants de moins de 20% de la distance entre lesdites deux extrémités transversales. Elément extérieur (12 ; 12’) selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit élément de carrosserie est configuré pour former une marche sous le bord de fuite (16 ; 16’), apte à former l’écoulement d’air secondaire (4). Elément extérieur (12 ; 12’) selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit élément extérieur est un becquet arrière de toit du véhicule automobile (10). Véhicule automobile (10) comprenant au moins un élément extérieur, caractérisé en ce que l’au moins un élément extérieur (12 ; 12’) est selon l’une des revendications 1 à 7. Véhicule automobile (10) selon la revendication 8, caractérisé en ce que le véhicule comprend une carrosserie et un soubassement, et l’au moins un élément extérieur est un accessoire aérodynamique fixé à la carrosserie ou au soubassement. Véhicule automobile (10) selon l’une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que ledit véhicule automobile comprend un hayon arrière avec une vitre inclinée par rapport à l’horizontale, l’au moins un élément extérieur étant un becquet arrière de toit adjacent à un bord supérieur de la vitre inclinée.