Amélioration des performances énergétiques

Mots clés : CFD, aérodynamique, échanges thermiques, optimisation, essais en soufflerie, confort thermique

Enjeux et objectifs 

Atteindre de nouvelles pistes de performances grâce à la prédictibilité des modèles numériques

Dans les sports de vitesses, l’amélioration des performances aérodynamiques est un sujet majeur. Sur Terre, tout objet en mouvement est soumis à une force de trainée aérodynamique qui s’oppose à son mouvement. Cette force est à l’origine d’une augmentation de la consommation énergétique, à la fois pour les véhicules (ex : sports automobiles, bobsleigh, …) que pour les personnes (ex : cyclisme, natation, saut à ski, …). Cela est d’autant plus vrai que les vitesses en jeux sont importantes (supérieure à 300 km/h pour la Formule 1) puisque l’effort augmente en fonction de la vitesse au carré.

Pour cela, on caractérise la qualité du profilage aérodynamique d’un objet par son coefficient de trainée Cx, traduisant sa résistance à l’avancement selon son axe longitudinal au sein d’un fluide (majoritairement de l’air). Un Cx plus important indique que pour une même vitesse, la consommation énergétique sera d’autant plus importante.

En course automobile comme en cyclisme, l’objectif reste alors le même : réduire ce coefficient de trainée aérodynamique pour augmenter les performances.

Dans notre cas, les cyclistes ont développé différentes façons de réduire cet effort de trainée :

Ξ S’équiper d’équipements techniques étudiés spécifiquement (casque, …)

Ξ Limiter la rugosité de la surface du corps (vêtement technique, épilation, …)

Ξ Évoluer dans le sillage d’un coéquipier

En complément des performances aérodynamiques, le confort thermique du cycliste peut aussi être une limite à sa performance. L’homme étant une espèce homéotherme, sa chaleur corporelle doit rester constante (autour des 37°C).

Le métabolisme d’un être humain, ensemble des réactions chimiques qui se déroulent à l’intérieur de lui et qui lui permet de se maintenir en vie, est un moteur de rendement assez faible, seul 25% de l’énergie est réellement utilisée, les 75% restant sont perdus sous forme de chaleur.

Pour maintenir 37°C, le corps humain regroupe plusieurs mécanismes de thermorégulation. En été par transpiration et vasodilatation, en hiver, par grelottement et vasoconstriction.

Le corps d’un cycliste est alors le centre d’échanges thermiques, d’apports comme de déperditions de chaleur :

Ξ La conduction au contact d’un objet (guidon, …)

Ξ Le rayonnement émis par le corps du cycliste

Ξ Le rayonnement reçu par le soleil

Ξ La convection au contact de l’air

Ξ L’ évaporation de la sueur

Ξ La production métabolique

Ainsi, au-delà des prouesses humaines, les outils de prédiction (de simulation notamment) ont permis d’apporter de nouvelles solutions davantage disruptives. Le couplage des différentes physiques permet d’accroitre les possibilités d’atteindre de nouvelles performances via une vision globale du développement produit.

En transposant un retour de 30 années d’expérience pour le développement des mobilités, nos équipes apportent un regard sur l’optimisation des performances, sans cesse régi par la manière d’identifier le meilleur compromis technique. Dans ce cas, le moindre gain de performance aérodynamique peut avoir des effets importants, non seulement sur la consommation, mais également sur la résistance thermique du cycliste.

En hiver, pour une température extérieure de 5°C, à une vitesse de 50 km/h et sans soleil, l’habillement du cycliste va lui permettre de dépenser moins d’énergie pour maintenir sa température interne à 37°C, ce qui lui permettra de pédaler plus longtemps pour la même énergie déployée. A l’inverse, en été, il en consommera pour thermoréguler.

Prestations CIMES 

Ξ Développement méthodologique pour l’amélioration des performances produits

Ξ Modélisation tridimensionnelle de la structure du cycliste soumis à un effort de trainée

Ξ Qualification essais en soufflerie veine longue

Ξ Évaluation des champs de pressions et de vitesses

Ξ Analyse des zones de recirculation

Ξ Modèle de confort thermique 1D combiné à un progiciel de calcul fluide 3D

Ξ Modélisation de la thermorégulation d’un être humain par méthode TIM (Thermophysiological Occupant Model)

Ξ Modélisation éléments finis des phénomènes de radiation, conduction, convection

Ξ Prise en compte de la vasodilations, vasoconstriction, grelottement et transpiration