CFD Evaluation of Roof Fairing and Rear Tail Plate Add-Ons for Bus Aerodynamics

Sur la route ouverte, un bus est un objet massif et émoussé qui pousse à travers une mer d'air. Lorsqu'il se déplace, l'air ne glisse pas simplement sur les côtés ; il presse contre l'avant, s'engouffre sur le dessus et lutte pour remplir l'espace vide laissé derrière l'arrière. Cette lutte crée une force appelée traînée aérodynamique, qui agit comme une main invisible tirant le véhicule vers l'arrière. Pour continuer à avancer, le moteur doit travailler plus dur, brûlant plus de carburant et rejetant plus de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Pour les grands véhicules comme les bus, qui transportent souvent des dizaines de passagers, cette résistance représente un coût majeur, tant sur le plan financier qu'environnemental. Dans de nombreuses parties du monde, particulièrement en Éthiopie, les bus sont fréquemment construits en attachant des carrosseries de passagers à des châssis de camions. Bien que pratique, cette méthode résulte souvent en des formes cubiques et rectangulaires qui sont terribles pour fendre le vent. L'air frappe l'avant plat et reste piégé dans des tourbillons turbulents à l'arrière, gaspillant de l'énergie qui pourrait autrement être utilisée pour le mouvement.

Les chercheurs savent depuis longtemps que lisser ces formes peut aider. Tout comme un nageur porte un bonnet profilé pour réduire la résistance dans l'eau, les véhicules peuvent être équipés de dispositifs qui guident l'air plus doucement. Cette étude s'est concentrée sur un modèle de bus spécifique et courant utilisé en Éthiopie et a posé une question simple : des ajouts simples au toit et à l'arrière du bus pourraient-ils réduire significativement la traînée ? L'équipe n'a pas testé ces idées sur une vraie route, mais a plutôt utilisé une simulation informatique puissante. Ils ont construit une version numérique du bus et l'ont placée à l'intérieur d'une soufffflerie virtuelle, un espace mathématique où ils pouvaient observer comment l'air circule autour du véhicule à différentes vitesses. En modifiant la forme du bus dans l'ordinateur — en ajoutant une pièce courbe sur le toit et une plaque plate à l'arrière — ils ont pu mesurer exactement à quel point il devenait plus facile pour l'air de passer.

Les chercheurs ont testé deux principaux types d'ajouts. Le premier était un déflecteur de toit, une structure courbe montée sur le dessus du bus qui imite la forme d'une aile d'avion, plus précisément la moitié d'un design connu sous le nom de profil NACA 0012. Le second était une plaque de queue arrière, un panneau plat attaché à l'arrière du bus avec un léger angle, conçu pour aider l'air à se rejoindre plus doucement après avoir passé le véhicule. Ils ont essayé ces dispositifs avec diverses tailles et inclinaisons, faisant tourner la simulation à des vitesses de 60, 80 et 100 kilomètres par heure. L'objectif était de trouver la combinaison spécifique qui créerait le moins de traînée, nécessitant ainsi le moins de carburant pour maintenir le mouvement du bus.

Les résultats ont montré que les deux ajouts fonctionnaient, mais que l'un était nettement supérieur. Le déflecteur de toit s'est avéré être l'outil le plus efficace. Lorsque les chercheurs ont installé un déflecteur de toit avec une longueur spécifique de 0,5 mètre, combiné à un léger remodelage de l'avant du bus, la traînée a chuté de manière spectaculaire. À une vitesse de 60 kilomètres par heure, la traînée a été réduite de près de 28 pour cent. À mesure que le bus accélérait jusqu'à 100 kilomètres par heure, la réduction augmentait légèrement, atteignant presque 29 pour cent. La plaque de queue arrière a également aidé, mais son effet était moindre ; même dans sa meilleure configuration, elle n'a réussi à réduire la traînée que d'environ 25 pour cent aux vitesses les plus élevées. Les simulations ont révélé que le déflecteur de toit fonctionnait en maintenant l'air attaché au sommet du bus plus longtemps, empêchant le tourbillonnement chaotique qui se produit habituellement lorsque l'air se sépare d'une surface abrupte.

Ces réductions de traînée se traduisent directement par des économies réelles. Parce que le bus rencontre moins de résistance, le moteur n'a pas besoin de travailler aussi dur. L'étude a calculé qu'avec la meilleure configuration de déflecteur de toit, un bus voyageant à 100 kilomètres par heure économiserait près de 10 litres de carburant par heure par rapport au bus standard non modifié. À une vitesse plus lente de 60 kilomètres par heure, l'économie était toujours significative, dépassant les 2 litres par heure. Sur une année, en supposant que le bus fonctionne huit heures par jour, ces économies s'élèvent à des milliers de litres de diesel. Cette réduction de la consommation de carburant signifie également une baisse substantielle des émissions de dioxyde de carbone. Pour un seul bus utilisant le déflecteur de toit, l'étude a estimé qu'il pourrait empêcher le rejet de plus de 60 tonnes de dioxyde de carbone annuellement à haute vitesse, un chiffre qui représente une contribution significative pour un air plus pur.

Les chercheurs ont pris soin de noter que ces chiffres proviennent de simulations informatiques, et non de la conduite d'un bus physique sur une autoroute. Le modèle numérique a été vérifié par rapport à des données de soufffflerie existantes pour garantir son exactitude, et les résultats sont cohérents avec ce que les ingénieurs s'attendent à voir. Bien que l'étude n'ait pas testé toutes les formes ou tailles possibles, elle a identifié un vainqueur clair parmi les options testées : un modeste déflecteur de toit courbe de 0,5 mètre. Cette conclusion suggère que pour les bus cubiques courants en Éthiopie et dans des régions similaires, une modification relativement simple et peu coûteuse pourrait mener à des améliorations majeures de l'efficacité énergétique et de l'impact environnemental. Ce travail démontre que même pour des véhicules qui n'ont pas été initialement conçus avec l'aérodynamisme à l'esprit, de petits changements de forme peuvent faire une grande différence dans leur interaction avec l'air environnant.