Description du projet et de la compétition

Au cours des deux dernières années de ma formation, j’ai eu la chance de participer à un projet audacieux dont l’objectif est de battre le record du monde de vitesse dans un véhicule à propulsion humaine. Le projet ProPulse, mené par 10 étudiants finissants au baccalauréat en génie mécanique de l’Université de Sherbrooke, consiste à concevoir et fabriquer un vélo caréné afin de participer au World Human Powered Speed Challenge à Battle Mountain au Nevada en septembre 2014. Le projet a un objectif bien simple, battre le record actuel en atteignant une vitesse supérieur à 133.28 km/h.

Les enjeux

Afin d’atteindre de telles vitesses, peu de facteurs pouvaient être modifiés. La résistance au roulement et l’efficacité des composants de vélo sont déjà si performants que leur impact sur la vitesse finale du véhicule est minime. Un des seuls aspects susceptibles d’améliorer les performances de notre véhicule était l’aérodynamisme.

Objectifs en termes d’aérodynamisme

L’objectif de l’optimisation aérodynamique effectuée sur le véhicule était de trouver la forme idéale pour réduire au maximum la résistance à l’écoulement du véhicule. Malgré tout, à une vitesse aussi élevée que 135 km/h, la traînée aérodynamique de ce type de véhicule est infime. Elle devait être réduite à une dizaine de Newtons afin de battre le record. Cette valeur est plus petite que la force ressentie par un cycliste moyen à seulement 20 km/h.

La conception aérodynamique

L’aérodynamisme d’un corps dépend strictement de ses conditions d’utilisation. Alors, pour obtenir des résultats optimaux, il était primordial de bien les reproduire lors de l’analyse. Malheureusement, les ressources qui étaient disponibles au moment de la conception pour effectuer des tests en soufflerie ne permettaient pas de reproduire avec justesse le comportement du vélo. Par exemple, il nous était impossible de reproduire les effets de sol. Également, le processus aurait été extrêmement long et coûteux.

J’ai donc pris la décision d’utiliser les CFD (Computational Fluid Dynamics) pour faire l’analyse de notre carénage et tester plusieurs concepts. Cette méthode m’a permis de tester une vingtaine de coques différentes dans un très court laps de temps. Elle avait également pour avantage de permettre un traitement des résultats plus approfondi que les autres alternatives. Le simple fait de pouvoir observer l’impact de chacun des composants séparément a grandement aidé à déterminer quelles zones généraient le plus de traînée.

 

Résultats :

Les analyses CFD ont permis de réduire de façon significative la traînée aérodynamique. Par rapport à la conception initiale du véhicule, une diminution de 23% de cette dernière a été observée. Il s’agit d’un énorme gain en considérant qu’il était impossible de réduire la taille du véhicule ou d’apporter de grands changements au profil pour respecter l’espace minimal nécessaire à notre pilote pour pédaler.

Limitations :

Il faut tout de même mentionner que la modélisation de fluides numériques a ses limites. Notre concept préliminaire (pre-CFD) de coque étant basé sur les profils laminaires (calculs théoriques), il aurait été intéressant d’observer l’effet de la transition laminaire-turbulente sur notre force de traînée avec la CFD. Par contre, les modèles de transition existants sont complexes à utiliser et nécessitent des résultats de tests pour leur calibration. Il s’agissait de délais et de ressources que nous ne possédions pas au cours de la phase de conception de notre véhicule. Cependant, l’utilisation de la CFD avec un modèle de turbulence (donc sans portion laminaire) nous a permis d’atteindre une réduction de la force de trainée dépassant nos attentes. Il faudra attendre au mois de septembre 2014, à la compétition de Battle Mountain au Nevada, pour savoir si ces efforts auront été suffisants.

Vous pouvez suivre l’avancement du projet sur le site Internet suivant : www.propulsehpv.com.

Auteur: Olivier Roy, stagiaire en ingénierie.