AERODYNAMISME
Sport automobile
Aérodynamique des F1
L’aérodynamisme est dans le sport automobile un élément primordial pour une monoplace car même si le moteur est très performant, sans un aérodynamisme travaillé les performances ne seront pas optimales. L’aérodynamisme est donc un facteur majeur dans les performances des monoplaces de formule 1. Ce ne fut découvert qu'en partie dans les années 1960 environ par des ingénieurs. Chaque petite irrégularité peut influer en bien ou mal sur les performances du véhicule et aujourd’hui les voitures de F1 disposent de nombreuses parties aérodynamiques.
Les ailerons avant et arrière, appelés appendices aérodynamique, permettent de coller le véhicule à la route et donc de générer des appuis au sol. Cela au profit d’une adhérence en virage accrue grâce a une augmentation de la charge verticale, mais aussi au déficit d’une vitesse de pointe limitée en ligne droite en générant des efforts de trainée. Plus la vitesse augmente plus la résistance de l’air fait de même, la voiture a donc besoin de pouvoir « glisser » dans l’air, et de ce fait les déflecteurs, le volant aplatie au-dessus, joue une part dans cet objectif. Les ingénieurs cherchent donc la forme parfaite mais ils doivent répondre à des critères : la largeur ne dois pas excéder 180cm, la largeur de l’aileron avant 140cm, sa longueur 120cm, la largeur de l’aileron arrière 100cm, et sa longueur 50cm.
Plus un aileron est braqué, plus il offre de résistance au vent : c’est la force de trainée. Il offre aussi plus d’appui à la voiture, ce qui lui permet de passer plus vite dans les virages : c’est la déportance.
La hauteur de caisse
-L’aérodynamique sous la monoplace
Une bonne circulation de l’air sous la voiture est primordiale pour avoir une F1 performante. Cette zone est particulièrement intéressante pour les aérodynamiciens car l’appui qu’elle peut apporter est considérable par rapport à la traînée induite.
- Dans le cas de forte garde au sol, il n’y a pas d’interaction entre le flux qui règne autour de la monoplace et le sol. C’est le cas par exemple des avions dans la plupart des cas, excepté dans les cas de décollage et d’atterrissage.
- Dans le cas de garde au sol moyenne, ce qui est un cas normal pour la voiture de tourisme de monsieur tout le monde, le flux accéléré sous le corps en mouvement interagira avec le sol fixe. En plus de la déformation de la couche limite du corps, une couche limite de sol est générée à proximité du sol. Cette couche limite de sol possède une différence significative avec les autres couches limites : la vitesse locale à la base de la couche limite de sol sera égale à la vitesse U du flux libre, et non pas zéro comme c’est le cas pour une couche limite conventionnelle. Ceci est dû au fait que les vitesses sont prises par rapport au système d’axe du corps en mouvement. La forme de la couche limite du corps en mouvement change à cause de la présence de la couche limite de sol suivant un facteur de forme
- Pour une petite garde au sol, l’interaction entre les deux couches limites est très forte, avec une séparation très faible entre les deux. Une Formule 1 fonctionne dans cette catégorie avec une garde au sol typique ( en gros 80mm). Le fait de diminuer la garde au sol d’une F1 augmente la vitesse du flux d’air qui circule sous le fond plat, jusqu’à un certain point. A une hauteur donnée, qui dépend de la conception du fond plat lui-même, la séparation entre les deux couches limites devient nulle. Pour cette garde au sol optimale, ce qui est intéressant c’est que la vitesse dans cette couche limite combinée est maximale. A partir de ce stade, le fait de diminuer la garde au sol n’augmentera pas la vitesse dans la couche limite combinée. Ainsi, les pressions les plus faibles et les vitesses maximales dans la couche limite combinée sont obtenues pour la garde au sol optimale. Pour les gardes au sol plus petites que la garde au sol optimale, le flux du fond plat sera freiné par une nouvelle combinaison des couches limites sol/corps en mouvement. Ce blocage diminuera alors la vitesse maxi au travers du fond plat induisant alors une perte d’appui aérodynamique. De plus, le pic de déportance qui se produit en diminuant la garde au sol conduira à un gradient de pression fortement défavorable. Diminuer la garde au sol a également la fâcheuse tendance à augmenter la traînée puisque l’augmentation des vitesses du fluide (l’air) qui s’en suit ainsi que l’augmentation de l’épaisseur du profil des couches limites plus épais produisent un accroissement des frottements.
l’abaissement de la garde au sol au-delà de la hauteur optimale mettra la couche limite du corps en contact avec le sol en mouvement, annulant par la même occasion la couche limite de sol. Le fond plat génèrera alors un très faible effet de déportance.
Cette limitation de valeur minimale de garde au sol est similaire à la limitation de l’angle de braquage d’un aileron (au-delà d’un certain angle optimal, l’aileron génère plus de traînée que d’appui).