Sillages de casques de course contre la montre par PIV-3C

19 ème Congrès Français de Mécanique Marseille, 24-28 août 2009
Sillages de casques de course contre la montre par PIV-3C
V. CHABROUX a , P. SAINTON a , D. FAVIER a
a. Institut des Sciences du Mouvement (ISM) - Plateforme Soufflerie, 163 Avenue de Luminy, case918, 13288
Marseille, Cedex 09
Résumé
L’objectif de cette étude est la caractérisation de l’écoulement dans le sillage de casques de course cycliste
contre la montre (CLM). Les mesures PIV-3C (Particule Image Velocimetry 3 Components) réalisées en
soufflerie sur un ensemble mannequin/vélo ont permis de définir les caractéristiques du sillage générées par
différentes géométries de casques. L’analyse des champs de vitesse mesurés en différentes sections du
sillage, permet ainsi de discriminer les géométries étudiées et de définir des caractéristiques mieux adaptées
pour la conception de futurs casques de CLM. Les principales conclusions sont que les dimensions
extérieures des casques doivent être minimales, que le bord de fuite ne doit pas être arrondi et que les
décrochements sur la partie postérieure sont à proscrire.
Abstract
The objective of this study is to characterize the flow in the wake of Time Trial (TT) helmet shape used
during stages. PIV-3C measurements provided the characteristics of the wake generated by different helmet
geometries. The velocity field measured in different sections of the downstream wake thus allows to
discriminate the geometries and to define helmet characteristics suited for future TT helmets design. Main
conclusions are that external helmet dimensions must be minimized, the trailing edge must not be smoothed
and contour discontinuities on the rear part must be banned.
Mots clefs
Aérodynamique, Particule Image Velocimetry, casque, contre la montre.
1 Introduction
Les vitesses atteintes lors des courses cyclistes professionnelles exigent une optimisation des performances
aérodynamiques du matériel et de la position des coureurs. En effet, aux vitesses élevées des épreuves de
CLM, 90% de la puissance développée est utilisée pour lutter contre l’effort de traînée aérodynamique [3].
Des récentes études ont de plus montré que la contribution de la traînée due au casque est de l’ordre de 2% à
8% de la traînée totale, en fonction de la géométrie de celui-ci [1] [2]. L’utilisation d’un casque performant
joue un rôle crucial dans l’amélioration des performances. Il est donc primordial de pouvoir déterminer des
facteurs géométriques qui influent sur la réduction de la traînée générée par les casques de CLM. Afin de
compléter des mesures d’efforts de traînée (effectuées au moyen d’une balance) relatives à différentes
géométries de casques, l’objectif de cette étude est de caractériser le sillage généré en aval de casques de
CLM. La caractérisation est réalisée à l’aide de mesures des champs de vitesse instantanée par une méthode
de PIV-3C (Particule Image Velocimetry 3 Components). Cette méthode a antérieurement été mise en œuvre
pour l’étude du sillage du rotor d’un avion convertible [4]. Dans une section fixée du sillage du casque, les
mesures permettent d’établir des cartographies des champs de vecteurs vitesse instantanés. Les champs
moyens de vecteurs vitesse sont ensuite obtenus à partir d’une moyenne effectuée sur 100 échantillons
successifs de la même configuration d’écoulement. Pour chaque casque étudié, sept plans de mesures
perpendiculaires à la direction de l’écoulement ont été réalisés afin de déterminer l’évolution du sillage en
aval du casque, à des distances allant de 70 à 370mm du bord de fuite. L’analyse de ces champs moyens
conduit à discriminer des géométries de casque.
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2 Méthodes
Les champs de vitesses s’établissant dans le sillage du casque de CLM ont été mesurés par l’intermédiaire
d’une chaîne de mesure stéréoscopique PIV-3C. De manière à reproduire le plus fidèlement possible les
interactions aérodynamiques qui s’établissent entre le casque et le corps du cycliste (dos et épaules
notamment), ces mesures ne sont pas réalisées sur un casque isolé mais dans sur une configuration simulant
des conditions proches des conditions de course. L’utilisation d’un rayonnement laser a conduit à effectuer
les mesures sur un mannequin en mousse à armatures rigides (échelle 1). Ce mannequin est équipé d’une
combinaison de CLM ainsi que des différents casques étudiés. Il est positionné sur le vélo dans une posture
de CLM (inclinaison du dos de 10°) et est rendu solidaire du vélo au moyen de fils de fer très fins.
L’inclinaison du casque sur l’horizontale a été fixée à une valeur de 36°, de manière à être en concordance
avec l’orientation « naturelle » de la tête des coureurs lors d’une épreuve de CLM. Cette configuration de
posture et d’inclinaison du mannequin permet alors de prendre en considération l’interaction des mains, des
bras, des épaules et de la tête sur les performances aérodynamiques du casque.
2.1 Principe de mesure PIV
Le principe du système PIV est basé sur la mesure du déplacement, entre deux images successives, de
particules de faible dimension qui sont en suspension dans l’écoulement. Dans la zone de mesure, ces
particules sont illuminées par une nappe laser pulsé de faible épaisseur et leurs positions sont enregistrées à
l’aide d’une caméra haute résolution (figure 1). Lors de chaque acquisition, le laser émet deux impulsions de
lumière avec un intervalle de temps t très faible et la caméra enregistre de façon synchrone la position des
particules sur deux images (I1 ; I2). La corrélation entre ces deux images permet de mesurer déplacement de
chaque particule au cours de l’intervalle de temps t et ainsi de déterminer la vitesse des particules.
L’ensemble des vitesses Vi de chaque particule permet de définir une carte de vecteurs vitesse 2D de la
totalité de la zone de mesure.
FIG. 1 - Principe de mesure PIV
Chaque caméra permet d’obtenir une cartographie 2D du champ des vecteurs vitesse. L’utilisation d’un
système stéréoscopique, corrélant les images issues des deux caméras, permet de déterminer la troisième
composante des vecteurs vitesse de chaque particule et ainsi d’obtenir une cartographie 3D du champ des
vecteurs vitesse. L’angle de vue entre ces deux caméras doit être le plus proche possible de 90°.
2.2 Système de mesure stéréoscopique PIV-3C
Le système de mesure stéréoscopique PIV-3C de l’ISM a antérieurement été utilisée notamment pour la
mesure du sillage de pales en rotation [4] [5]. Le système est monté, à l’extérieur de la veine d’essai, sur une
structure rigide qui se déplace dans l’axe de l’écoulement. Ce déplacement permet de réaliser des mesures du
sillage dans des plans perpendiculaires à l’écoulement allant de 70 mm à 370 mm en aval du bord de fuite du
casque. Ce système de mesure est relié à un ordinateur utilisant le logiciel FLOWMANAGER pour le
stockage et le traitement des données. Il comprend les principaux éléments suivants :
Deux lasers pulsés de type Nd:Yag (QUANTEL Big Sky CFR200), avec deux oscillateurs
indépendants qui sont utilisés comme source lumineuse (nappe laser d’environ 5mm d’épaisseur).
L’intervalle de temps entre deux impulsions est de 100 s. Cet échantillonnage est en adéquation avec la
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vitesse de l’écoulement considéré durant ces essais (15 ms -1 ) puisqu’à cette vitesse, une particule parcours
1,5 mm en 100 s se qui permet de suivre son déplacement dans l’épaisseur de la nappe laser.
Deux caméras de type HISENSE PIV/PLIF, équipée d’objectifs Nikon AF Nikkor de focales
85mm, ayant une résolution spatiale de 1280x1024 pixels.
Un dispositif d’ensemencement réalisé par adjonction à l’écoulement de particules d’huile de
diamètre moyen de l’ordre de 5 µm produites par un générateur type Leader SMOG.
2.3 Calibration de la chaîne de mesure
Un système de mesure stéréoscopique nécessite une calibration précise afin de déterminer la position relative
des deux caméras et ainsi de compenser la distorsion des images due aux angles de vue. Cette calibration est
réalisée à partir de prises de vue d’une mire de calibration (carré composé d’une grille de 1369 points
circulaires régulièrement espacés) illuminée par la nappe laser. Les images de la mire enregistrées par les
deux caméras sont ensuite utilisées pour déterminer localement la zone commune aux deux caméras et les
coefficients de détramage (projection inverse des images enregistrées), qui permettent ainsi de restituer les
images avec un facteur d’agrandissement constant sur la surface de la mire.
2.4 Acquisition et traitement des images
Pour chaque configuration d’écoulement, 100 paires d’images synchronisées sont acquises par les caméras et
différents filtres sont appliqués sur ces images brutes afin de diminuer le bruit résiduel et ainsi d’améliorer
leur qualité. Ces images sont ensuite détramées, grâce aux coefficients résultants de la calibration, de
manière à prendre en compte la distorsion résultant de l’angle de prise de vue des caméras. Le logiciel de
traitement applique alors une fonction de corrélation croisée permettant la comparaison de chaque paire
d'images et de déterminer les vecteurs vitesse 2D instantanés dans la fenêtre d'interrogation. Afin d’éliminer
les vecteurs vitesses erronés subsistants, des limites de vitesses inférieures et supérieures sont fixées sur
chaque composante et les vecteurs qui sortent de cette gamme sont rejetés. La combinaison de ces champs de
vecteurs 2D fournit la représentation instantanée 3D de l’écoulement. Cette représentation instantanée est
très bruitée, c’est pourquoi les 100 mesures instantanées 3D des champs de vecteurs vitesse sont moyennés
afin d’obtenir une présentation moyenne des vitesses du sillage (figure 2). La composante W (dans le sens de
l’écoulement) est indiquée par une échelle de couleur codée et les vitesses U et V (dans le plan
perpendiculaire à l’écoulement) par des vecteurs bleus.
FIG. 2 – Représentation moyenne 3D des champs de vecteurs vitesse.
Sur cette figure on discerne nettement le déficit de vitesse dans le sillage du casque par le changement de
couleur au centre de l’image. Les zones tourbillonnaires observées dans la partie inférieure de chaque image
représentent le sillage créé par les épaules du mannequin. En revanche, les variations situées dans les parties
supérieures de chaque coté du sillage sont des artefacts dus à la réflexion de la nappe laser sur le bord de
fuite du casque. Ces artefacts n’apparaissent principalement que dans le plan Z = 70 le plus proche du bord
de fuite du casque. De plus, ils sont plus importants dans la partie gauche de l’image car la nappe laser
illumine principalement ce coté du casque. Dans les autres plans, la nappe laser étant plus éloignée du casque
il n’y pas ce problème de réflexion. Dans le cadre de l’analyse des résultats, les valeurs de vitesse
correspondant à ces artefacts ne sont pas prises en compte.
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2.5 Caractéristiques des casques étudiés
L’étude des champs de vitesse a été réalisée sur 3 casques de CLM ayant des caractéristiques géométriques
telles que définies ci-dessous.
Casque 1 2 3
Marque Giro Rev 6 LG (avec visière) LAS Chronometro
Longueur 380 370 410
Hauteur 150 190 170
Largeur 180 190 210
Fx (N) 2,2 1,9 2,4
TAB. 1 – Caractéristiques géométriques des casques
Les figures ci-dessous, représentant les contours externes des casques, permettent d’effectuer une
comparaison des différentes géométries. L’intérêt de cette représentation est de pouvoir comparer les
géométries des casques et de visualiser le bord de fuite qui joue un rôle important dans le développement du
sillage. En effet, on constate que le contour du casque 1 présente deux décrochements sur sa partie arrière
alors que le casque 3 n’en a qu’un et que le casque 2 correspond plus à une géométrie de goutte d’eau.
L’analyse des résultats PIV-3C va permettre de déterminer l’influence de ces géométries sur les
caractéristiques du sillage et donc sur les efforts de traînée engendrés par ces casques.
FIG. 3 – Contours externes des casques
La dernière ligne du tableau ci-dessus donne les valeurs des efforts de traînée de chacun des casques
positionnés sur le mannequin avec l’inclinaison de 36° considéré pour ces essais. On peut observer que les
valeurs de l’effort de traînée de ces trois casques sont très proches. L’analyse du sillage généré par ces
casques va néanmoins permettent de comparer les différentes géométries pour une configuration fixée.
3 Résultats
Les résultats issus des expérimentations de PIV-3C permettent de visualiser les différents sillages en fonction
de la géométrie des casques utilisés. Ces sillages sont caractérisés par plusieurs éléments : la hauteur et la
largeur du sillage ainsi que le déficit de vitesse dans l’écoulement aval. Ces trois éléments doivent être
analysés dans les différents plans mesurés en aval du casque afin de déterminer leur évolution. L’ensemble
des mesures PIV-3C sont représentés sur les figures ci-dessous.
Casque 1
Casque 2
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Casque 1
Casque 2
Casque 3

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Casque 3
Z = 70 Z = 120 Z = 170 Z = 270 Z = 370
FIG. 4 – Mesures PIV des sillages des casques
Cette visualisation permet alors de comparer le sillage des différents casques et ce, pour chaque plan de
mesure allant de 70 mm à 370 mm du bord de fuite des casques. Compte tenu de la géométrie spécifique de
chacun des casques, les hauteurs des bords de fuite ne sont pas situées à la même hauteur sur les images. Il
n’est donc pas possible, lors de l’analyse de ces résultats, de comparer les surfaces de chaque sillage. En
effet, en considérant une valeur seuil à partir de laquelle on prendrait en compte le sillage, les valeurs de ces
surfaces seraient biaisées par cette différence de hauteur entre le bord de fuite du casque et les épaules. Afin
de comparer efficacement les sillages, les vitesses ont donc été analysées sur des lignes horizontales à des
ordonnés prédéfinies. La représentation graphique de ces déficits de vitesse est présentée sur la figure 5, pour
chaque géométrie de casque et chaque plan de mesure. Plusieurs lignes d’analyse ont été prises en compte
afin de représenter au mieux la hauteur du sillage. Les surfaces situées sous les courbes sont mesurées à
l’aide d’une intégrale et l’ensemble de ces surfaces sont alors additionnés pour permettre la comparaison des
casques.
FIG. 5 – Caractérisation des déficits de vitesse au niveau du bord de fuite du casque
Il est intéressant de noter sur ces courbes que le sillage du casque 1 est caractérisé par une largeur
relativement faible ( 80mm) et un déficit de vitesse important. En effet, dans le plan le plus proche du
casque (Z = 70mm), le déficit de vitesse maximal est de 7,9ms -1 . La hauteur du sillage de ce casque est plus
importante que celle des autres casques (jusqu’à 50mm au dessus du bord de fuite) qui sont caractérisés par
un sillage concentré à une hauteur légèrement inférieur au bord de fuite. Cette hauteur est due au
décrochement sur la partie postérieure du casque qui, avec cette inclinaison, est le point le plus haut du
contour extérieur. Il faut également noter que le déficit de vitesse de ce sillage persiste sur une distance
importante derrière le casque puisque l’on constate sur le plan Z = 320mm un déficit de vitesse de 3.1 ms -1
et, sur le plan Z = 370 mm, encore quelques traces de ce déficit.
La surface du sillage caractéristique du casque 2 est sensiblement supérieure à celle du casque 1 sur
l’ensemble des plans de 70 < Z < 220mm. La largeur du sillage au niveau du bord de fuite du casque est très
importante ( 130mm) et devient beaucoup plus fine au niveau du cou ( 50 mm). Cependant, ce sillage est
caractérisé par un déficit de vitesse de 4,9 ms -1 beaucoup plus faible que celui du casque 1. De plus, à la
différence des autres casques, ce déficit est pratiquement inexistant dans les plans supérieurs à 220 mm.
C’est notamment pour cela que ce casque possède un effort de traînée inférieur aux deux autres.
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Le sillage du casque 3 est caractérisé par une largeur plus importante ( 100mm) que les casques 1 et 2
notamment sous le niveau du bord de fuite du casque (-20 mm). De plus, le déficit de vitesse relatif à ce
casque est très important (11,3 ms -1 ) notamment dans le plan de mesure le plus proche du bord de fuite du
casque (Z = 70mm). Par ailleurs, de la même manière que pour le casque1, le déficit du sillage persiste sur
une distance relativement importante derrière le casque, puisque l’on constate dans le plan Z = 270mm un
déficit de vitesse de l’ordre de 4 ms -1 sur une surface de 60x80mm et de 30x50mm dans le plan Z = 370 mm.
De manière à quantifier l’impact de ces déficits de vitesse sur l’effort de traînée du casque, une analyse de la
quantité de mouvement contenue dans le sillage a été réalisée. Cette estimation de la quantité de mouvement
est réalisée en multipliant les déficits de vitesse au carré par la surface du sillage correspondant. Les résultats
de cette analyse sont représentés sur la figure 6 qui représente la diminution de l’influence du sillage en
fonction de la distance derrière le casque. Les valeurs estimées de la force de trainée induite par le sillage
(proportionnelle à la quantité de mouvement), apparaissent en bon accord et montrent les mêmes tendances
que les mesures d’efforts de traînée globale du casque réalisées au moyen d’une balance (Table 1).
FIG. 6 – Evolution de la force de traînée générée par le sillage derrière les différents casques
4 Conclusion
A partir des données géométriques des sillages ainsi que des déficits de vitesse mesurés, il parait intéressant
de définir certaines caractéristiques conduisant à réduire ces valeurs et à définir une géométrie générique du
casque. De manière à affiner l’épaisseur du sillage, il apparaît que la largeur du casque doit être minimisée et
son bord de fuite ne doit pas être arrondi (comme l’est par exemple celui du casque 1). De plus, les
décrochements des contours externes observés sur les casques 1 et 3 sont à proscrire, ceci afin de limiter la
hauteur du sillage. Il a en effet pu être observé que sur ces casques, les hauteurs des sillages sont nettement
plus importantes. La forme en goutte d’eau apparaît donc être la plus efficace et la réduction des dimensions
extérieures du casque sont primordiales. Dans de futurs travaux, il est envisagé de réaliser un casque
prototype permettant valider l’efficacité de la géométrie générique précédemment définie.
5 Références
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(edited by M. Estivalet and P. Brisson), vol.1, 371-377, ISBN -13: 978-287-09410-1, Springer, 2008.
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Novembre 2006.
[5] Nsi Mba M., Sainton P., Rondot C., Maresca C., Favier D., A wing-vortices interactions study by PIV-3C
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