Sillages de casques de course contre la montre par PIV-3C
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19 ème Congrès Français <strong>de</strong> Mécanique Marseille, 24-28 août 2009<br />
<strong>Sil<strong>la</strong>ges</strong> <strong>de</strong> <strong>casques</strong> <strong>de</strong> <strong>course</strong> <strong>contre</strong> <strong>la</strong> <strong>montre</strong> <strong>par</strong> <strong>PIV</strong>-<strong>3C</strong><br />
V. CHABROUX a , P. SAINTON a , D. FAVIER a<br />
a. Institut <strong>de</strong>s Sciences du Mouvement (ISM) - P<strong>la</strong>teforme Soufflerie, 163 Avenue <strong>de</strong> Luminy, case918, 13288<br />
Marseille, Ce<strong>de</strong>x 09<br />
Résumé<br />
L’objectif <strong>de</strong> cette étu<strong>de</strong> est <strong>la</strong> caractérisation <strong>de</strong> l’écoulement dans le sil<strong>la</strong>ge <strong>de</strong> <strong>casques</strong> <strong>de</strong> <strong>course</strong> cycliste<br />
<strong>contre</strong> <strong>la</strong> <strong>montre</strong> (CLM). Les mesures <strong>PIV</strong>-<strong>3C</strong> (Particule Image Velocimetry 3 Components) réalisées en<br />
soufflerie sur un ensemble mannequin/vélo ont permis <strong>de</strong> définir les caractéristiques du sil<strong>la</strong>ge générées <strong>par</strong><br />
différentes géométries <strong>de</strong> <strong>casques</strong>. L’analyse <strong>de</strong>s champs <strong>de</strong> vitesse mesurés en différentes sections du<br />
sil<strong>la</strong>ge, permet ainsi <strong>de</strong> discriminer les géométries étudiées et <strong>de</strong> définir <strong>de</strong>s caractéristiques mieux adaptées<br />
pour <strong>la</strong> conception <strong>de</strong> futurs <strong>casques</strong> <strong>de</strong> CLM. Les principales conclusions sont que les dimensions<br />
extérieures <strong>de</strong>s <strong>casques</strong> doivent être minimales, que le bord <strong>de</strong> fuite ne doit pas être arrondi et que les<br />
décrochements sur <strong>la</strong> <strong>par</strong>tie postérieure sont à proscrire.<br />
Abstract<br />
The objective of this study is to characterize the flow in the wake of Time Trial (TT) helmet shape used<br />
during stages. <strong>PIV</strong>-<strong>3C</strong> measurements provi<strong>de</strong>d the characteristics of the wake generated by different helmet<br />
geometries. The velocity field measured in different sections of the downstream wake thus allows to<br />
discriminate the geometries and to <strong>de</strong>fine helmet characteristics suited for future TT helmets <strong>de</strong>sign. Main<br />
conclusions are that external helmet dimensions must be minimized, the trailing edge must not be smoothed<br />
and contour discontinuities on the rear <strong>par</strong>t must be banned.<br />
Mots clefs<br />
Aérodynamique, Particule Image Velocimetry, casque, <strong>contre</strong> <strong>la</strong> <strong>montre</strong>.<br />
1 Introduction<br />
Les vitesses atteintes lors <strong>de</strong>s <strong>course</strong>s cyclistes professionnelles exigent une optimisation <strong>de</strong>s performances<br />
aérodynamiques du matériel et <strong>de</strong> <strong>la</strong> position <strong>de</strong>s coureurs. En effet, aux vitesses élevées <strong>de</strong>s épreuves <strong>de</strong><br />
CLM, 90% <strong>de</strong> <strong>la</strong> puissance développée est utilisée pour lutter <strong>contre</strong> l’effort <strong>de</strong> traînée aérodynamique [3].<br />
Des récentes étu<strong>de</strong>s ont <strong>de</strong> plus montré que <strong>la</strong> contribution <strong>de</strong> <strong>la</strong> traînée due au casque est <strong>de</strong> l’ordre <strong>de</strong> 2% à<br />
8% <strong>de</strong> <strong>la</strong> traînée totale, en fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> géométrie <strong>de</strong> celui-ci [1] [2]. L’utilisation d’un casque performant<br />
joue un rôle crucial dans l’amélioration <strong>de</strong>s performances. Il est donc primordial <strong>de</strong> pouvoir déterminer <strong>de</strong>s<br />
facteurs géométriques qui influent sur <strong>la</strong> réduction <strong>de</strong> <strong>la</strong> traînée générée <strong>par</strong> les <strong>casques</strong> <strong>de</strong> CLM. Afin <strong>de</strong><br />
compléter <strong>de</strong>s mesures d’efforts <strong>de</strong> traînée (effectuées au moyen d’une ba<strong>la</strong>nce) re<strong>la</strong>tives à différentes<br />
géométries <strong>de</strong> <strong>casques</strong>, l’objectif <strong>de</strong> cette étu<strong>de</strong> est <strong>de</strong> caractériser le sil<strong>la</strong>ge généré en aval <strong>de</strong> <strong>casques</strong> <strong>de</strong><br />
CLM. La caractérisation est réalisée à l’ai<strong>de</strong> <strong>de</strong> mesures <strong>de</strong>s champs <strong>de</strong> vitesse instantanée <strong>par</strong> une métho<strong>de</strong><br />
<strong>de</strong> <strong>PIV</strong>-<strong>3C</strong> (Particule Image Velocimetry 3 Components). Cette métho<strong>de</strong> a antérieurement été mise en œuvre<br />
pour l’étu<strong>de</strong> du sil<strong>la</strong>ge du rotor d’un avion convertible [4]. Dans une section fixée du sil<strong>la</strong>ge du casque, les<br />
mesures permettent d’établir <strong>de</strong>s cartographies <strong>de</strong>s champs <strong>de</strong> vecteurs vitesse instantanés. Les champs<br />
moyens <strong>de</strong> vecteurs vitesse sont ensuite obtenus à <strong>par</strong>tir d’une moyenne effectuée sur 100 échantillons<br />
successifs <strong>de</strong> <strong>la</strong> même configuration d’écoulement. Pour chaque casque étudié, sept p<strong>la</strong>ns <strong>de</strong> mesures<br />
perpendicu<strong>la</strong>ires à <strong>la</strong> direction <strong>de</strong> l’écoulement ont été réalisés afin <strong>de</strong> déterminer l’évolution du sil<strong>la</strong>ge en<br />
aval du casque, à <strong>de</strong>s distances al<strong>la</strong>nt <strong>de</strong> 70 à 370mm du bord <strong>de</strong> fuite. L’analyse <strong>de</strong> ces champs moyens<br />
conduit à discriminer <strong>de</strong>s géométries <strong>de</strong> casque.<br />
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2 Métho<strong>de</strong>s<br />
Les champs <strong>de</strong> vitesses s’établissant dans le sil<strong>la</strong>ge du casque <strong>de</strong> CLM ont été mesurés <strong>par</strong> l’intermédiaire<br />
d’une chaîne <strong>de</strong> mesure stéréoscopique <strong>PIV</strong>-<strong>3C</strong>. De manière à reproduire le plus fidèlement possible les<br />
interactions aérodynamiques qui s’établissent entre le casque et le corps du cycliste (dos et épaules<br />
notamment), ces mesures ne sont pas réalisées sur un casque isolé mais dans sur une configuration simu<strong>la</strong>nt<br />
<strong>de</strong>s conditions proches <strong>de</strong>s conditions <strong>de</strong> <strong>course</strong>. L’utilisation d’un rayonnement <strong>la</strong>ser a conduit à effectuer<br />
les mesures sur un mannequin en mousse à armatures rigi<strong>de</strong>s (échelle 1). Ce mannequin est équipé d’une<br />
combinaison <strong>de</strong> CLM ainsi que <strong>de</strong>s différents <strong>casques</strong> étudiés. Il est positionné sur le vélo dans une posture<br />
<strong>de</strong> CLM (inclinaison du dos <strong>de</strong> 10°) et est rendu solidaire du vélo au moyen <strong>de</strong> fils <strong>de</strong> fer très fins.<br />
L’inclinaison du casque sur l’horizontale a été fixée à une valeur <strong>de</strong> 36°, <strong>de</strong> manière à être en concordance<br />
avec l’orientation « naturelle » <strong>de</strong> <strong>la</strong> tête <strong>de</strong>s coureurs lors d’une épreuve <strong>de</strong> CLM. Cette configuration <strong>de</strong><br />
posture et d’inclinaison du mannequin permet alors <strong>de</strong> prendre en considération l’interaction <strong>de</strong>s mains, <strong>de</strong>s<br />
bras, <strong>de</strong>s épaules et <strong>de</strong> <strong>la</strong> tête sur les performances aérodynamiques du casque.<br />
2.1 Principe <strong>de</strong> mesure <strong>PIV</strong><br />
Le principe du système <strong>PIV</strong> est basé sur <strong>la</strong> mesure du dép<strong>la</strong>cement, entre <strong>de</strong>ux images successives, <strong>de</strong><br />
<strong>par</strong>ticules <strong>de</strong> faible dimension qui sont en suspension dans l’écoulement. Dans <strong>la</strong> zone <strong>de</strong> mesure, ces<br />
<strong>par</strong>ticules sont illuminées <strong>par</strong> une nappe <strong>la</strong>ser pulsé <strong>de</strong> faible épaisseur et leurs positions sont enregistrées à<br />
l’ai<strong>de</strong> d’une caméra haute résolution (figure 1). Lors <strong>de</strong> chaque acquisition, le <strong>la</strong>ser émet <strong>de</strong>ux impulsions <strong>de</strong><br />
lumière avec un intervalle <strong>de</strong> temps t très faible et <strong>la</strong> caméra enregistre <strong>de</strong> façon synchrone <strong>la</strong> position <strong>de</strong>s<br />
<strong>par</strong>ticules sur <strong>de</strong>ux images (I1 ; I2). La corré<strong>la</strong>tion entre ces <strong>de</strong>ux images permet <strong>de</strong> mesurer dép<strong>la</strong>cement <strong>de</strong><br />
chaque <strong>par</strong>ticule au cours <strong>de</strong> l’intervalle <strong>de</strong> temps t et ainsi <strong>de</strong> déterminer <strong>la</strong> vitesse <strong>de</strong>s <strong>par</strong>ticules.<br />
L’ensemble <strong>de</strong>s vitesses Vi <strong>de</strong> chaque <strong>par</strong>ticule permet <strong>de</strong> définir une carte <strong>de</strong> vecteurs vitesse 2D <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
totalité <strong>de</strong> <strong>la</strong> zone <strong>de</strong> mesure.<br />
FIG. 1 - Principe <strong>de</strong> mesure <strong>PIV</strong><br />
Chaque caméra permet d’obtenir une cartographie 2D du champ <strong>de</strong>s vecteurs vitesse. L’utilisation d’un<br />
système stéréoscopique, corré<strong>la</strong>nt les images issues <strong>de</strong>s <strong>de</strong>ux caméras, permet <strong>de</strong> déterminer <strong>la</strong> troisième<br />
composante <strong>de</strong>s vecteurs vitesse <strong>de</strong> chaque <strong>par</strong>ticule et ainsi d’obtenir une cartographie 3D du champ <strong>de</strong>s<br />
vecteurs vitesse. L’angle <strong>de</strong> vue entre ces <strong>de</strong>ux caméras doit être le plus proche possible <strong>de</strong> 90°.<br />
2.2 Système <strong>de</strong> mesure stéréoscopique <strong>PIV</strong>-<strong>3C</strong><br />
Le système <strong>de</strong> mesure stéréoscopique <strong>PIV</strong>-<strong>3C</strong> <strong>de</strong> l’ISM a antérieurement été utilisée notamment pour <strong>la</strong><br />
mesure du sil<strong>la</strong>ge <strong>de</strong> pales en rotation [4] [5]. Le système est monté, à l’extérieur <strong>de</strong> <strong>la</strong> veine d’essai, sur une<br />
structure rigi<strong>de</strong> qui se dép<strong>la</strong>ce dans l’axe <strong>de</strong> l’écoulement. Ce dép<strong>la</strong>cement permet <strong>de</strong> réaliser <strong>de</strong>s mesures du<br />
sil<strong>la</strong>ge dans <strong>de</strong>s p<strong>la</strong>ns perpendicu<strong>la</strong>ires à l’écoulement al<strong>la</strong>nt <strong>de</strong> 70 mm à 370 mm en aval du bord <strong>de</strong> fuite du<br />
casque. Ce système <strong>de</strong> mesure est relié à un ordinateur utilisant le logiciel FLOWMANAGER pour le<br />
stockage et le traitement <strong>de</strong>s données. Il comprend les principaux éléments suivants :<br />
Deux <strong>la</strong>sers pulsés <strong>de</strong> type Nd:Yag (QUANTEL Big Sky CFR200), avec <strong>de</strong>ux oscil<strong>la</strong>teurs<br />
indépendants qui sont utilisés comme source lumineuse (nappe <strong>la</strong>ser d’environ 5mm d’épaisseur).<br />
L’intervalle <strong>de</strong> temps entre <strong>de</strong>ux impulsions est <strong>de</strong> 100 s. Cet échantillonnage est en adéquation avec <strong>la</strong><br />
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vitesse <strong>de</strong> l’écoulement considéré durant ces essais (15 ms -1 ) puisqu’à cette vitesse, une <strong>par</strong>ticule <strong>par</strong>cours<br />
1,5 mm en 100 s se qui permet <strong>de</strong> suivre son dép<strong>la</strong>cement dans l’épaisseur <strong>de</strong> <strong>la</strong> nappe <strong>la</strong>ser.<br />
Deux caméras <strong>de</strong> type HISENSE <strong>PIV</strong>/PLIF, équipée d’objectifs Nikon AF Nikkor <strong>de</strong> focales<br />
85mm, ayant une résolution spatiale <strong>de</strong> 1280x1024 pixels.<br />
Un dispositif d’ensemencement réalisé <strong>par</strong> adjonction à l’écoulement <strong>de</strong> <strong>par</strong>ticules d’huile <strong>de</strong><br />
diamètre moyen <strong>de</strong> l’ordre <strong>de</strong> 5 µm produites <strong>par</strong> un générateur type Lea<strong>de</strong>r SMOG.<br />
2.3 Calibration <strong>de</strong> <strong>la</strong> chaîne <strong>de</strong> mesure<br />
Un système <strong>de</strong> mesure stéréoscopique nécessite une calibration précise afin <strong>de</strong> déterminer <strong>la</strong> position re<strong>la</strong>tive<br />
<strong>de</strong>s <strong>de</strong>ux caméras et ainsi <strong>de</strong> compenser <strong>la</strong> distorsion <strong>de</strong>s images due aux angles <strong>de</strong> vue. Cette calibration est<br />
réalisée à <strong>par</strong>tir <strong>de</strong> prises <strong>de</strong> vue d’une mire <strong>de</strong> calibration (carré composé d’une grille <strong>de</strong> 1369 points<br />
circu<strong>la</strong>ires régulièrement espacés) illuminée <strong>par</strong> <strong>la</strong> nappe <strong>la</strong>ser. Les images <strong>de</strong> <strong>la</strong> mire enregistrées <strong>par</strong> les<br />
<strong>de</strong>ux caméras sont ensuite utilisées pour déterminer localement <strong>la</strong> zone commune aux <strong>de</strong>ux caméras et les<br />
coefficients <strong>de</strong> détramage (projection inverse <strong>de</strong>s images enregistrées), qui permettent ainsi <strong>de</strong> restituer les<br />
images avec un facteur d’agrandissement constant sur <strong>la</strong> surface <strong>de</strong> <strong>la</strong> mire.<br />
2.4 Acquisition et traitement <strong>de</strong>s images<br />
Pour chaque configuration d’écoulement, 100 paires d’images synchronisées sont acquises <strong>par</strong> les caméras et<br />
différents filtres sont appliqués sur ces images brutes afin <strong>de</strong> diminuer le bruit résiduel et ainsi d’améliorer<br />
leur qualité. Ces images sont ensuite détramées, grâce aux coefficients résultants <strong>de</strong> <strong>la</strong> calibration, <strong>de</strong><br />
manière à prendre en compte <strong>la</strong> distorsion résultant <strong>de</strong> l’angle <strong>de</strong> prise <strong>de</strong> vue <strong>de</strong>s caméras. Le logiciel <strong>de</strong><br />
traitement applique alors une fonction <strong>de</strong> corré<strong>la</strong>tion croisée permettant <strong>la</strong> com<strong>par</strong>aison <strong>de</strong> chaque paire<br />
d'images et <strong>de</strong> déterminer les vecteurs vitesse 2D instantanés dans <strong>la</strong> fenêtre d'interrogation. Afin d’éliminer<br />
les vecteurs vitesses erronés subsistants, <strong>de</strong>s limites <strong>de</strong> vitesses inférieures et supérieures sont fixées sur<br />
chaque composante et les vecteurs qui sortent <strong>de</strong> cette gamme sont rejetés. La combinaison <strong>de</strong> ces champs <strong>de</strong><br />
vecteurs 2D fournit <strong>la</strong> représentation instantanée 3D <strong>de</strong> l’écoulement. Cette représentation instantanée est<br />
très bruitée, c’est pourquoi les 100 mesures instantanées 3D <strong>de</strong>s champs <strong>de</strong> vecteurs vitesse sont moyennés<br />
afin d’obtenir une présentation moyenne <strong>de</strong>s vitesses du sil<strong>la</strong>ge (figure 2). La composante W (dans le sens <strong>de</strong><br />
l’écoulement) est indiquée <strong>par</strong> une échelle <strong>de</strong> couleur codée et les vitesses U et V (dans le p<strong>la</strong>n<br />
perpendicu<strong>la</strong>ire à l’écoulement) <strong>par</strong> <strong>de</strong>s vecteurs bleus.<br />
FIG. 2 – Représentation moyenne 3D <strong>de</strong>s champs <strong>de</strong> vecteurs vitesse.<br />
Sur cette figure on discerne nettement le déficit <strong>de</strong> vitesse dans le sil<strong>la</strong>ge du casque <strong>par</strong> le changement <strong>de</strong><br />
couleur au centre <strong>de</strong> l’image. Les zones tourbillonnaires observées dans <strong>la</strong> <strong>par</strong>tie inférieure <strong>de</strong> chaque image<br />
représentent le sil<strong>la</strong>ge créé <strong>par</strong> les épaules du mannequin. En revanche, les variations situées dans les <strong>par</strong>ties<br />
supérieures <strong>de</strong> chaque coté du sil<strong>la</strong>ge sont <strong>de</strong>s artefacts dus à <strong>la</strong> réflexion <strong>de</strong> <strong>la</strong> nappe <strong>la</strong>ser sur le bord <strong>de</strong><br />
fuite du casque. Ces artefacts n’ap<strong>par</strong>aissent principalement que dans le p<strong>la</strong>n Z = 70 le plus proche du bord<br />
<strong>de</strong> fuite du casque. De plus, ils sont plus importants dans <strong>la</strong> <strong>par</strong>tie gauche <strong>de</strong> l’image car <strong>la</strong> nappe <strong>la</strong>ser<br />
illumine principalement ce coté du casque. Dans les autres p<strong>la</strong>ns, <strong>la</strong> nappe <strong>la</strong>ser étant plus éloignée du casque<br />
il n’y pas ce problème <strong>de</strong> réflexion. Dans le cadre <strong>de</strong> l’analyse <strong>de</strong>s résultats, les valeurs <strong>de</strong> vitesse<br />
correspondant à ces artefacts ne sont pas prises en compte.<br />
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2.5 Caractéristiques <strong>de</strong>s <strong>casques</strong> étudiés<br />
L’étu<strong>de</strong> <strong>de</strong>s champs <strong>de</strong> vitesse a été réalisée sur 3 <strong>casques</strong> <strong>de</strong> CLM ayant <strong>de</strong>s caractéristiques géométriques<br />
telles que définies ci-<strong>de</strong>ssous.<br />
Casque 1 2 3<br />
Marque Giro Rev 6 LG (avec visière) LAS Chronometro<br />
Longueur 380 370 410<br />
Hauteur 150 190 170<br />
Largeur 180 190 210<br />
Fx (N) 2,2 1,9 2,4<br />
TAB. 1 – Caractéristiques géométriques <strong>de</strong>s <strong>casques</strong><br />
Les figures ci-<strong>de</strong>ssous, représentant les contours externes <strong>de</strong>s <strong>casques</strong>, permettent d’effectuer une<br />
com<strong>par</strong>aison <strong>de</strong>s différentes géométries. L’intérêt <strong>de</strong> cette représentation est <strong>de</strong> pouvoir com<strong>par</strong>er les<br />
géométries <strong>de</strong>s <strong>casques</strong> et <strong>de</strong> visualiser le bord <strong>de</strong> fuite qui joue un rôle important dans le développement du<br />
sil<strong>la</strong>ge. En effet, on constate que le contour du casque 1 présente <strong>de</strong>ux décrochements sur sa <strong>par</strong>tie arrière<br />
alors que le casque 3 n’en a qu’un et que le casque 2 correspond plus à une géométrie <strong>de</strong> goutte d’eau.<br />
L’analyse <strong>de</strong>s résultats <strong>PIV</strong>-<strong>3C</strong> va permettre <strong>de</strong> déterminer l’influence <strong>de</strong> ces géométries sur les<br />
caractéristiques du sil<strong>la</strong>ge et donc sur les efforts <strong>de</strong> traînée engendrés <strong>par</strong> ces <strong>casques</strong>.<br />
FIG. 3 – Contours externes <strong>de</strong>s <strong>casques</strong><br />
La <strong>de</strong>rnière ligne du tableau ci-<strong>de</strong>ssus donne les valeurs <strong>de</strong>s efforts <strong>de</strong> traînée <strong>de</strong> chacun <strong>de</strong>s <strong>casques</strong><br />
positionnés sur le mannequin avec l’inclinaison <strong>de</strong> 36° considéré pour ces essais. On peut observer que les<br />
valeurs <strong>de</strong> l’effort <strong>de</strong> traînée <strong>de</strong> ces trois <strong>casques</strong> sont très proches. L’analyse du sil<strong>la</strong>ge généré <strong>par</strong> ces<br />
<strong>casques</strong> va néanmoins permettent <strong>de</strong> com<strong>par</strong>er les différentes géométries pour une configuration fixée.<br />
3 Résultats<br />
Les résultats issus <strong>de</strong>s expérimentations <strong>de</strong> <strong>PIV</strong>-<strong>3C</strong> permettent <strong>de</strong> visualiser les différents sil<strong>la</strong>ges en fonction<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong> géométrie <strong>de</strong>s <strong>casques</strong> utilisés. Ces sil<strong>la</strong>ges sont caractérisés <strong>par</strong> plusieurs éléments : <strong>la</strong> hauteur et <strong>la</strong><br />
<strong>la</strong>rgeur du sil<strong>la</strong>ge ainsi que le déficit <strong>de</strong> vitesse dans l’écoulement aval. Ces trois éléments doivent être<br />
analysés dans les différents p<strong>la</strong>ns mesurés en aval du casque afin <strong>de</strong> déterminer leur évolution. L’ensemble<br />
<strong>de</strong>s mesures <strong>PIV</strong>-<strong>3C</strong> sont représentés sur les figures ci-<strong>de</strong>ssous.<br />
Casque 1<br />
Casque 2<br />
4<br />
Casque 1<br />
Casque 2<br />
Casque 3
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Casque 3<br />
Z = 70 Z = 120 Z = 170 Z = 270 Z = 370<br />
FIG. 4 – Mesures <strong>PIV</strong> <strong>de</strong>s sil<strong>la</strong>ges <strong>de</strong>s <strong>casques</strong><br />
Cette visualisation permet alors <strong>de</strong> com<strong>par</strong>er le sil<strong>la</strong>ge <strong>de</strong>s différents <strong>casques</strong> et ce, pour chaque p<strong>la</strong>n <strong>de</strong><br />
mesure al<strong>la</strong>nt <strong>de</strong> 70 mm à 370 mm du bord <strong>de</strong> fuite <strong>de</strong>s <strong>casques</strong>. Compte tenu <strong>de</strong> <strong>la</strong> géométrie spécifique <strong>de</strong><br />
chacun <strong>de</strong>s <strong>casques</strong>, les hauteurs <strong>de</strong>s bords <strong>de</strong> fuite ne sont pas situées à <strong>la</strong> même hauteur sur les images. Il<br />
n’est donc pas possible, lors <strong>de</strong> l’analyse <strong>de</strong> ces résultats, <strong>de</strong> com<strong>par</strong>er les surfaces <strong>de</strong> chaque sil<strong>la</strong>ge. En<br />
effet, en considérant une valeur seuil à <strong>par</strong>tir <strong>de</strong> <strong>la</strong>quelle on prendrait en compte le sil<strong>la</strong>ge, les valeurs <strong>de</strong> ces<br />
surfaces seraient biaisées <strong>par</strong> cette différence <strong>de</strong> hauteur entre le bord <strong>de</strong> fuite du casque et les épaules. Afin<br />
<strong>de</strong> com<strong>par</strong>er efficacement les sil<strong>la</strong>ges, les vitesses ont donc été analysées sur <strong>de</strong>s lignes horizontales à <strong>de</strong>s<br />
ordonnés prédéfinies. La représentation graphique <strong>de</strong> ces déficits <strong>de</strong> vitesse est présentée sur <strong>la</strong> figure 5, pour<br />
chaque géométrie <strong>de</strong> casque et chaque p<strong>la</strong>n <strong>de</strong> mesure. Plusieurs lignes d’analyse ont été prises en compte<br />
afin <strong>de</strong> représenter au mieux <strong>la</strong> hauteur du sil<strong>la</strong>ge. Les surfaces situées sous les courbes sont mesurées à<br />
l’ai<strong>de</strong> d’une intégrale et l’ensemble <strong>de</strong> ces surfaces sont alors additionnés pour permettre <strong>la</strong> com<strong>par</strong>aison <strong>de</strong>s<br />
<strong>casques</strong>.<br />
FIG. 5 – Caractérisation <strong>de</strong>s déficits <strong>de</strong> vitesse au niveau du bord <strong>de</strong> fuite du casque<br />
Il est intéressant <strong>de</strong> noter sur ces courbes que le sil<strong>la</strong>ge du casque 1 est caractérisé <strong>par</strong> une <strong>la</strong>rgeur<br />
re<strong>la</strong>tivement faible ( 80mm) et un déficit <strong>de</strong> vitesse important. En effet, dans le p<strong>la</strong>n le plus proche du<br />
casque (Z = 70mm), le déficit <strong>de</strong> vitesse maximal est <strong>de</strong> 7,9ms -1 . La hauteur du sil<strong>la</strong>ge <strong>de</strong> ce casque est plus<br />
importante que celle <strong>de</strong>s autres <strong>casques</strong> (jusqu’à 50mm au <strong>de</strong>ssus du bord <strong>de</strong> fuite) qui sont caractérisés <strong>par</strong><br />
un sil<strong>la</strong>ge concentré à une hauteur légèrement inférieur au bord <strong>de</strong> fuite. Cette hauteur est due au<br />
décrochement sur <strong>la</strong> <strong>par</strong>tie postérieure du casque qui, avec cette inclinaison, est le point le plus haut du<br />
contour extérieur. Il faut également noter que le déficit <strong>de</strong> vitesse <strong>de</strong> ce sil<strong>la</strong>ge persiste sur une distance<br />
importante <strong>de</strong>rrière le casque puisque l’on constate sur le p<strong>la</strong>n Z = 320mm un déficit <strong>de</strong> vitesse <strong>de</strong> 3.1 ms -1<br />
et, sur le p<strong>la</strong>n Z = 370 mm, encore quelques traces <strong>de</strong> ce déficit.<br />
La surface du sil<strong>la</strong>ge caractéristique du casque 2 est sensiblement supérieure à celle du casque 1 sur<br />
l’ensemble <strong>de</strong>s p<strong>la</strong>ns <strong>de</strong> 70 < Z < 220mm. La <strong>la</strong>rgeur du sil<strong>la</strong>ge au niveau du bord <strong>de</strong> fuite du casque est très<br />
importante ( 130mm) et <strong>de</strong>vient beaucoup plus fine au niveau du cou ( 50 mm). Cependant, ce sil<strong>la</strong>ge est<br />
caractérisé <strong>par</strong> un déficit <strong>de</strong> vitesse <strong>de</strong> 4,9 ms -1 beaucoup plus faible que celui du casque 1. De plus, à <strong>la</strong><br />
différence <strong>de</strong>s autres <strong>casques</strong>, ce déficit est pratiquement inexistant dans les p<strong>la</strong>ns supérieurs à 220 mm.<br />
C’est notamment pour ce<strong>la</strong> que ce casque possè<strong>de</strong> un effort <strong>de</strong> traînée inférieur aux <strong>de</strong>ux autres.<br />
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Le sil<strong>la</strong>ge du casque 3 est caractérisé <strong>par</strong> une <strong>la</strong>rgeur plus importante ( 100mm) que les <strong>casques</strong> 1 et 2<br />
notamment sous le niveau du bord <strong>de</strong> fuite du casque (-20 mm). De plus, le déficit <strong>de</strong> vitesse re<strong>la</strong>tif à ce<br />
casque est très important (11,3 ms -1 ) notamment dans le p<strong>la</strong>n <strong>de</strong> mesure le plus proche du bord <strong>de</strong> fuite du<br />
casque (Z = 70mm). Par ailleurs, <strong>de</strong> <strong>la</strong> même manière que pour le casque1, le déficit du sil<strong>la</strong>ge persiste sur<br />
une distance re<strong>la</strong>tivement importante <strong>de</strong>rrière le casque, puisque l’on constate dans le p<strong>la</strong>n Z = 270mm un<br />
déficit <strong>de</strong> vitesse <strong>de</strong> l’ordre <strong>de</strong> 4 ms -1 sur une surface <strong>de</strong> 60x80mm et <strong>de</strong> 30x50mm dans le p<strong>la</strong>n Z = 370 mm.<br />
De manière à quantifier l’impact <strong>de</strong> ces déficits <strong>de</strong> vitesse sur l’effort <strong>de</strong> traînée du casque, une analyse <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
quantité <strong>de</strong> mouvement contenue dans le sil<strong>la</strong>ge a été réalisée. Cette estimation <strong>de</strong> <strong>la</strong> quantité <strong>de</strong> mouvement<br />
est réalisée en multipliant les déficits <strong>de</strong> vitesse au carré <strong>par</strong> <strong>la</strong> surface du sil<strong>la</strong>ge correspondant. Les résultats<br />
<strong>de</strong> cette analyse sont représentés sur <strong>la</strong> figure 6 qui représente <strong>la</strong> diminution <strong>de</strong> l’influence du sil<strong>la</strong>ge en<br />
fonction <strong>de</strong> <strong>la</strong> distance <strong>de</strong>rrière le casque. Les valeurs estimées <strong>de</strong> <strong>la</strong> force <strong>de</strong> trainée induite <strong>par</strong> le sil<strong>la</strong>ge<br />
(proportionnelle à <strong>la</strong> quantité <strong>de</strong> mouvement), ap<strong>par</strong>aissent en bon accord et <strong>montre</strong>nt les mêmes tendances<br />
que les mesures d’efforts <strong>de</strong> traînée globale du casque réalisées au moyen d’une ba<strong>la</strong>nce (Table 1).<br />
FIG. 6 – Evolution <strong>de</strong> <strong>la</strong> force <strong>de</strong> traînée générée <strong>par</strong> le sil<strong>la</strong>ge <strong>de</strong>rrière les différents <strong>casques</strong><br />
4 Conclusion<br />
A <strong>par</strong>tir <strong>de</strong>s données géométriques <strong>de</strong>s sil<strong>la</strong>ges ainsi que <strong>de</strong>s déficits <strong>de</strong> vitesse mesurés, il <strong>par</strong>ait intéressant<br />
<strong>de</strong> définir certaines caractéristiques conduisant à réduire ces valeurs et à définir une géométrie générique du<br />
casque. De manière à affiner l’épaisseur du sil<strong>la</strong>ge, il ap<strong>par</strong>aît que <strong>la</strong> <strong>la</strong>rgeur du casque doit être minimisée et<br />
son bord <strong>de</strong> fuite ne doit pas être arrondi (comme l’est <strong>par</strong> exemple celui du casque 1). De plus, les<br />
décrochements <strong>de</strong>s contours externes observés sur les <strong>casques</strong> 1 et 3 sont à proscrire, ceci afin <strong>de</strong> limiter <strong>la</strong><br />
hauteur du sil<strong>la</strong>ge. Il a en effet pu être observé que sur ces <strong>casques</strong>, les hauteurs <strong>de</strong>s sil<strong>la</strong>ges sont nettement<br />
plus importantes. La forme en goutte d’eau ap<strong>par</strong>aît donc être <strong>la</strong> plus efficace et <strong>la</strong> réduction <strong>de</strong>s dimensions<br />
extérieures du casque sont primordiales. Dans <strong>de</strong> futurs travaux, il est envisagé <strong>de</strong> réaliser un casque<br />
prototype permettant vali<strong>de</strong>r l’efficacité <strong>de</strong> <strong>la</strong> géométrie générique précé<strong>de</strong>mment définie.<br />
5 Références<br />
[1] A<strong>la</strong>m F., Subic S., Akbarza<strong>de</strong>h A. & Watkins S. Effects of venting geometry on thermal comfort and<br />
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