14 août 2006 1 14 /08 /août /2006 16:00
F1-tech
L’aérodynamique d’une Formule 1


Après avoir vu avec Sywel les principes de base de l’aérodynamique en F1, je vous propose de détailler maintenant les différents appendices aéro des monoplaces.


L’aérodynamique de l’avant

    L’avant détermine l’efficacité aéro globale de la Formule 1 car le museau et l’aileron avant dirigent, canalisent et séparent le flux d’air passant sous, sur et autour de la voiture. Ce "travail" conditionne le bon fonctionnement aérodynamique du reste de la monoplace.


Les diférents éléments aérodynamique de l'avant d'une F1



    • L’aileron avant

    La proximité de l’aileron avec le sol détermine son efficacité car plus l’espace est petit plus l’air aura une vitesse de passage élevée et donc d’après Bernoulli (cf. article de Sywel) plus la pression sera forte et l’appui important.
Toutefois il ne faut pas dépasser une certaine limite car l’écoulement du flux d’air finirait par être perturbé, en effet une petite épaisseur d’air autour de l’aileron –appelée couche limite- ne bouge pas.
    C’est en utilisant ce principe que la FIA a pu limiter les performances des F1 en imposant en 2005 une hauteur minimale de 15cm au dessus du sol pour les bords de l’aileron (déflecteurs) et 10cm pour sa partie centrale. (+5cm par rapport à 2004)


Trois top-team et autant d'ailerons et nez différents



    • Le museau ou nez

    Le museau diffère beaucoup suivant les écuries, mais il est maintenant toujours dissocié de l’aileron avant, ce qui permet d’éviter une perte d’appui au milieu de celui-ci. Plus le nez est éloigné de la "moustache", plus le flux d’air qui pénètre sous la voiture est important. Ceci à pour avantage de générer un fort appui aéro, d’améliorer le fonctionnement du diffuseur à l’arrière de la voiture et de réduire la traînée produite par l’avant de la monoplace, mais le centre de gravité de la voiture se trouve rehaussé ce qui nuit à la dynamique de la voiture… En F1 tout est affaire de compromis !


    • Les roues avant

    L’influence des roues avant est un vrai cauchemar pour les aérodynamiciens. En effet une roue en rotation engendre devant elle une surpression devant elle qui aurait tendance à la soulever et donc créer de la portance, l’ennemie d’une Formule 1 performante. De plus les roues créent aussi une traînée importante pénalisant l’appui aérodynamique de la voiture. Pour remédier à ce problème les déflecteurs sur l’aileron avant canalisent le flux d’air soit vers le côté extérieur de la roue, soit vers l’intérieur et plus particulièrement vers les écopes de freins afin de refroidir ces derniers plus efficacement. Ainsi on minimise le flux d’air incident sur les roues avant et donc on neutralise ses effets néfastes.


Une roue avant et sa suspention profilée



    • Les bras de suspensions

    Les bras de suspensions ne peuvent pas engendrer d’appui aérodynamique d’après le règlement de la FIA, mais ils sont profilés pour offrir le minimum de résistance à l’air.


    • Les déflecteurs latéraux

    Les déflecteurs latéraux ne génèrent pas d’appui aérodynamique mais ils permettent de séparer le flux d’air en deux : l’un, extérieur et perturbé par les roues avant contourne les pontons, tandis que l’autre « intérieur » et plus propre (sans turbulences) s’y engouffre. Il faut donc trouver le bon compromis entre "air propre" et bon refroidissement. Cependant toutes les écuries n’utilisent pas cet artifice, l’aileron avant et ses déflecteurs canalisant assez d’air propre. (Ex: Toyota et Honda en 2006)

    Déflecteur latéral de la BMW 2006 et absence de déflecteur sur la Toyota de 2006

    • Les pontons

    Les pontons et les radiateurs qui s’y abritent pénalisent fortement l’efficacité aérodynamique de la monoplace car l’air qui s’y engouffre et qui ressort à haute température par les cheminées subit un chute de pression qui augmente considérablement la traînée globale de la voiture.


    • Le saut-vent

    Le saute-vent est un petit rebord en plastique transparent de quelques centimètres situé devant le volant et qui protège le pilote du vent et de la pluie -enfin dans la mesure du possible- et permet également de diriger le flux d’air vers la boite à air dont la prise d’air se trouve au dessus de sa tête et qui alimente le moteur.


Saut-vent de la BAR de Sato en 2005




 L’aérodynamique de l’arrière

    C’est l’ensemble des éléments situés derrière le casque du pilote. Il détermine en grande partie l’efficacité globale de la voiture en conditionnant principalement la traînée générale de la F1. Cette partie est très intéressante d’un point de vue aéro mais aussi très complexe car son rendement dépend beaucoup de la qualité des flux d’air arrivant de l’avant.


Ensemble des éléments aérodynamique de l'arrière d'une F1



    • La boite à air

    La boite à air doit assurer une bonne alimentation en air du moteur quelque soit la vitesse, sans perturber l’aérodynamique de la voiture. Certaines dimensions sont dictées par la FIA mais le profilage est laissé aux choix des écuries qui doivent trouver –une fois encore– le bon compromis entre efficacité aéro et performance du moteur. La boite à air comprend en outre un arceau de sécurité qui protège le pilote en cas de tonneau.

    Comme les déflecteurs latéraux les petites ailettes situées sur la boite à air n’engendrent pas d’appui mais permettent de guider et d’assainir le flux d’air vers l’aileron arrière.


    • Le capot moteur

    Le capot moteur doit privilégier l’arrivée du flux d’air sur l’arrière de la monoplace. Sa forme dépend du profilage de la boite à air ainsi que de la position et la largeur du moteur. Le but est de dégager un maximum la partie qui précède l’aileron arrière avec un capot étroit et abrupt. C’est ainsi qu’avec l’arrivée des V8 et donc la disparition de deux cylindres les capots moteurs sont plus resserrés à l’arrière.


Comparatif entre le capot moteur de la Renault F1 de 2006 et 2005


    Il faut cependant faire attention à ne pas trop rapprocher le capot du moteur car avec la chaleur que dégage ce dernier, le capot peut prendre feu, mésaventure qui est arrivée à Kimi Räikkönen lors du GP de Monaco 2006.




    • L’aileron arrière


    L’aileron arrière génère de l’appui sur le train arrière ce qui permet d’augmenter l’adhérence en virage, de passer la puissance au sol et d’équilibrer la voiture. Si c’est certainement l’un des appendices aérodynamiques générant le plus d’appui, il crée aussi une forte traînée qui influe directement sur la vitesse de pointe.
    Afin de réduire son efficacité la FIA a limité le nombre de lames à deux dans la partie haute et à une en bas. Dans le même but en 2005 la FIA l’a avancé de quelques centimètres car en étant plus proches des roues arrières le flux d’air est de moins bonne qualité et donc l’appui moins conséquent.
    Les deux lames du haut sont facilement réglables, pour pouvoir faire varier le rapport appui/traînée (ration L/D) en fonction des caractéristiques des circuits.
    Pour les circuits rapides où il faut privilégier la vitesse de pointe l’inclinaison est minimale par contre pour les circuits exigeants en appui les lames sont plus braquées.


Aileron arrière de la BMW 2006

 
 

    • Les dérives latérales de l’aileron arrière

    Du fait des différences de pressions sur et sous les lames de l’aileron arrière, l’air a tendance à les équilibrer en passant sur les côtés. Ce phénomène comporte plusieurs effets néfastes pour une Formule 1 : une perte d’énergie qui augmente la traînée et une diminution de la déportance. Pour contrer ce principe les cloisons verticales de l’aileron "emprisonnent" le flux d’air et évitent l’équilibrage des pressions. Cependant le revers de la médaille fait qu’un mauvais écoulement de l’air peut provoquer des phénomènes de bourrage. C’est pour les éviter que les équipes créent des ouïes dans les dérives.


    • Les roues arrière

    Les roues arrière sont –comme les roues avant– génératrices de perturbations qu’il faut limiter. C’est pour ça qu’un vaste déflecteur, nom de code : flip-up, situé juste devant les roues dévie le flux d’air vers le haut ce qui limite considérablement la portance parasite des roues. L’autre conséquence bénéfique est la création d’un appui aérodynamique appuyant sur le train arrière.
Sous le flip-up, une plaque horizontale prolonge le dessous du ponton et arrive au ras du pneu. Comme nous l’avons vu précédemment une surpression se crée devant la roue en rotation, celle-ci appui sur la plaque horizontale ce qui génère une déportance. Laquelle est d’autant plus importante que sous la plaque l’air circule très vite (d’où une dépression).


    • Les winglets

    Les winglets sont les petits appendices aéro qui fleurissent sur les pontons des monoplaces. En travaillant avec les cheminées ils apportent un appui aéro supplémentaire et aident au refroidissement des pneumatiques arrières.


L'arrière d'un ponton de la R26 et ses appendices aéro


 
    • L’influence des échappements


    Depuis quelques années les échappements sont placés vers le haut. Cette solution, en plus de répondre à des contraintes liées au moteur, a l’avantage de dégager la région du diffuseur et donc d’accroître son rendement. L’appui ainsi généré compense largement la traînée qu’ils entraînent. Il faut simplement s’assurer que les gaz d’échappement expulsés à haute vitesse et à haute température ne perturbent pas le comportement de la voiture.




 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.


    • Le soubassement

    C’est la partie située entre les deux trains de roues. Son efficacité est en grande partie déterminée par le museau et l’aileron avant de la monoplace, ainsi que par la hauteur de caisse. En effet si cette dernière est trop basse, l’espace entre le sol et le soubassement n’est pas suffisant pour permettre un bon écoulement du flux d’air ce qui freine la voiture par effet de succion et frottement visqueux avec l’air. Par contre si on éloigne la caisse du sol l’entrée de l’air sera facilitée mais la voiture pourra être soulevée par effet de bourrage.     La solution consiste alors à accélérer le flux d’air sous la voiture, ce qui revient à créer une dépression qui plaquera la voiture au sol. C’est au diffuseur que revient cette charge.
    La hauteur de caisse a une influence très importante sur l’appui de la voiture et doit donc être réglée au millimètre près en fonction des circuits. Cependant depuis 1994 la FIA impose une hauteur minimale de 10mm et contrôle celle-ci à l’aide d’un patin de bois fixé sous la voiture et qui ne doit pas être dégradé de plus d’un millimètre à la fin de la course sous peine de disqualification.


 

    • Le diffuseur

    Il a pour mission d’évacuer l’air sous la monoplace pour créer une dépression et l’appui qui va avec. Mais son réglage et sa conception sont délicats : si trop d’air s’en échappe la voiture sera freinée, mais s’il n’y en a pas assez l’arrière manquera d’appui.
    Il est composé d’un tunnel central et de deux latéraux pour accroître son efficacité et la vitesse de l’air sous la voiture. L’un des paramètres influençant le plus son action est l’angle qu’il forme avec le soubassement. Plus l’angle augmente plus l’appui augmente mais à partir de 4° la traînée apparaît, probablement à cause des tourbillons qui se forment derrière le diffuseur. Là encore il s’agit donc pour les écuries de trouver le meilleur compromis en fonction des circuits.
    De plus la proximité du diffuseur avec l’aileron arrière crée à l’arrière de la monoplace une vaste zone de dépression combinant les deux, ce qui est bénéfique pour la F1.

Le diffuseur de la Toyota 2006


 l’appui global de la voiture



    • Le centre de pression

    Comme nous l’avons vu toute la surface de la voiture en contact avec l’air est optimisée pour créer un maximum d’appuis. Il est possible de modéliser la somme des appuis en une force résultante qui s’applique à partir du centre de pression, tout comme le poids total de la voiture s’applique au centre de gravité.
C’est justement la position relative entre ces deux centres qui est importante pour la stabilité de la voiture. Pour qu’une F1 soit stable à haute vitesse, le centre de pression doit être confondu (cas idéal) ou derrière le centre de gravité.


    • L’influence du vent

    Vu l’importance des flux d’air sur la performance d’une monoplace il est aisé de comprendre que le vent peut être un élément perturbateur pour une Formule 1.
    Si le vent soufflant à 10km, arrive de face sur une Formule 1 roulant à 330Km, la vitesse relative de la voiture par rapport au vent sera donc de 340km soit à peine 3% de plus. Mais, comme Sywel l’a déjà expliqué (ici), l’appui aérodynamique varie avec le carré de la vitesse relative, ainsi l’appui se trouve donc augmenté de 9% ce qui peut perturber une monoplace. Pour un vent de face l’hypothèse est favorable, mais pour un vent arrière l’appui est perturbé et la perte d’adhérence peut être problématique pour un pilote.
    Un vent latéral va quand à lui engendrer une force aérodynamique agissant sur le coté de la monoplace en passant par le centre de pression. Celui-ci étant situé derrière le centre de gravité la voiture pivotera autour de cet axe, ce mouvement de rotation devra être corrigé par le pilote.


    • Dans le sillage d’une autre monoplace

    En avançant, une Formule 1 met en mouvement la masse d’air qu’elle traverse, et si elle est suivie par une monoplace (de quelques mètres à quelques dizaines) plusieurs phénomènes vont se passer.
    Le premier est le phénomène bien connu de l’aspiration. La première voiture fait son passage dans l’air et celui de la suivante en est facilité, ce lui permet de gagner quelques Km/h qui peuvent l’aider à dépasser en bout de ligne droite.
    Le deuxième phénomène est le "déventement". Derrière la première monoplace, la masse d’air qu’elle vient de traverser suit la même trajectoire ce qui crée un vent arrière défavorable pour la deuxième qui se trouve déventée et donc en perte d’appui et d’adhérence. Particulièrement l’aileron avant car la masse d’air est globalement déviée vers le haut par la voiture 1 du fait de l’appui généré. De plus ces flux d’air seront très perturbés et turbulents. Ce phénomène n’est guère gênant en ligne droite où l’aspiration prime mais il est un problème dans les courbes rapides.
    Le dernier phénomène est la montée en température du flux d’air après le passage du premier véhicule. Les deux inconvénients sont : une perte d’appui car l’air chaud est moins dense et donc défavorise la déportance, et des difficultés de refroidissement du moteur. C’est pour cette raison qu’un pilote suivant une autre monoplace aura tendance à ne pas prendre exactement la même trajectoire que la voiture qui le précède afin de bien refroidir son moteur.



    • L’aéro et la FIA

    La FIA tente chaque année de réduire l’efficacité aérodynamique des monoplaces avec de nombreuses modifications de règlements. Ces mesures sont motivées par un souci de sécurité pour les pilotes et pour améliorer le spectacle. En effet comme nous l’avons vu, suivre une monoplace de près n’est pas une chose aisée et dépasser est difficile. En imposant aux écuries de réduire les perturbations créées par la partie arrière de la voiture la FIA espère faciliter les dépassements.
Si vous avez des questions, ou si vous n'avez pas tout compris n'hésitez pas à nous laisser un commentaire nous essayerons de vous répondre.

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Published by Marnie - dans F1 Tech'
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commentaires

antonin 29/11/2011


Salut tous le monde,


Je suis en 1er et cet année nous devons créé de A à Z (nous = notre équipe) une voiture miniature (environ 30 cm et 1kilos) qui vas courir sur un piste en ligne droite de 15m. nous devons donc
nous interésser a l'aéro-dynamisme de la voiture malgrès les nombreuses contraites. Personnellement je suis un novice en aéro-dynamisme et donc je me permet de vous demander que dois-je faire?
quel sorte d'éleron privilégier? comment les faire? ...


voila un tas de question sans réponse et j'èspere que vous pourrai m'aider ^^


pour plus d'info sur ce projet national appeler "course en cours" voila le site officiel avec quelque video pour comprendre ce projet  et je pense que quelque pars il y a le reglement
: http://www.course-en-cours.com/


 

Guy 04/07/2014


Article très intéressant, merci beaucoup d'avoir partagé tout ça ! :-D

Cependant il manque l'explication de l'accélération de la voiture de tête dans le cas d'un train (ou d'un couple) de voitures qui se suivent, la seconde dans l'aspiration de la première.

J'avais été séduit par l'explication cinématographique dans cette scène culte de "Jour de Tonnerre" où Tom Cruise explique à Nicole Kidman ce phénomène, mais je n'arrive plus ni à retrouver cette
scène, ni à trouver une explication similaire sur le net.

En gros la raison est que la voiture suiveuse créée un apendice déflecteur qui recule le refermement turbulent de la traînée de la voiture de tête. Les deux traînées se confondent donc, et
conséquemment la perte de puissance pour chaque voiture est réduite, ce qui permet aux deux voitures de gagner en vitesse.

Pourriez-vous vous pencher sur la question et nous livrer ici une explication documentée et rationnelle dans cet article déjà fantastique, qui en deviendrait donc phénoménal ? O:-) (je ne
sais pas faire un smiley clignant des yeux avec un regard touchant de reconnaissance éternelle ;-) )

f1etcetera 07/07/2014


Ce dont vous parlez est le phénomène de "draft". Mais, ce phénomène, qui permet en quelque sorte à deux concurrents de se "partager" la trainée en ne formant qu'un seul ensemble aéro, et donc
d'aller plus vite que si ils roulaient isolément, est propre aux voitures de NASCAR.


En monoplace, où la configuration aéro est totalement différente, cela ne fonctionne pas. La voiture de derrière est aspirée, mais celle de devant n'en retire aucun avantage.

Guy 08/07/2014


Merci de votre intérêt f1etcetera, mais votre affirmation demande un peu de développement quand même, car la dynamique des fluides n'a aucune raison d'être différente en NASCAR ou en F1...
Que la pénétration aérodynamique en F1 soit plus pointue qu'en NASCAR ne fait aucune doute, et que les techniques de pilotage soient différentes non plus, mais je parlais d'un phénomène physique
et même si la pénétration de la F1 lui donne plus de performances que ce que lui donnerait la formation d'un train aéro, il n'en est pas moins vrai que l'équilibre des forces en jeu est
modifié.
C'est de cet effet dont j'aurais aimé trouver une explication rationnelle, complète, scientifique, et éclairée :-)

f1etcetera 14/07/2014


Je ne saurai vous répondre. Peut-être est-ce l'existence de l'aileron arrière qui empêche la formation d'un train aéro en monoplace ?


Toujours est-il que pour être un habitué des courses américaines, j'ai souvent assisté à ce phénomène en NASCAR (notamment à Talladega et à Daytona, où le bridage des moteurs favorise la course
en peloton, et où des alliances se créent) mais jamais lors des courses monoplace.

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