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Technique : Le vortex, témoin visible de la complexité aérodynamique

Intrigants, mystérieux, les vortex aérodynamiques accompagnent depuis maintenant quelques années les F1 modernes. Explication sur l’origine et le principe de ces complexes tourbillons d’air, qui ne sont visibles que pour quelques fractions de seconde.

© Motors Inside - Les vortex à l'arrière de l'Alfa Roméo© Motors Inside - Les vortex à l'arrière de l'Alfa Roméo

Le principe de l’aérodynamique en sport auto


Avant d’évoquer l’apparition des vortex, revenons sur les bases de l’aérodynamique en sport auto, clef de voûte des performances actuelles. Schématiquement, le monde des voitures de course est en quelque sorte une inversion du monde aéronautique. En effet, le premier cas a pour but de plaquer un objet en mouvement au sol pendant que le second vise exactement l’inverse.

Le mouvement de l’objet, tant en aéronautique qu’en sport auto, se fait au milieu d’un fluide qu’est l’air. Cet air génère sur notre environnement un appui, relativement insignifiant à l’arrêt. En revanche, plus la vitesse de l’objet en mouvement augmente, plus la force exercée par l’air est important.

La portance est la force qui utilise l’appui exercé par l’air sur l’objet en mouvement pour l’élever dans les airs, ou le plaquer au sol. Pour mettre en évidence ce phénomène, il suffit de passer le bras à la fenêtre d’une voiture roulante et observer, main à plat, le bras se faire balader par la force de l’air de haut en bas. Cette même portance, utilisée à l’inverse sur les autos de course, permet donc « d’écraser » un objet en mouvement au sol via des éléments aérodynamiques fonctionnant sur le principe d’une aile inversée. Le fonctionnement physique de cette « aile inversée » est le suivant : l’air circulant en dessous est plus rapide que l’air passant au-dessus, générant une dépression aspirant la voiture vers le sol.

L’autre élément central de l’aérodynamique, en complément de la portance, est la traînée. Celle-ci correspond aux frottements générés dans le sens opposé au mouvement de l’objet. L’exemple le plus parlant et de voir un 4x4 dans la poussière, levant derrière lui un nuage qui s’enroule au niveau du coffre de l’auto.

La portance et la trainée sont les bases de l’aérodynamique, tant sur le plan aéronautique qu’en sport auto, et la mise en application est relativement identique, en inversant seulement le sens d’élévation souhaité.

Les Vortex sur l'Alfa Roméo


La mise en application


Minimiser la traînée est primordial dans le monde de l’auto car celle-ci est facteur de ralentissement, surconsommation etc…Pour lutter contre ce phénomène, il est indispensable de concevoir des objets fins, au nez pointu. Les ailerons, conçus à cet effet, ont été adoptés durant les années 1960 en F1 pour minimiser la traînée de la monoplace, mais également pour améliorer la tenue de route en exploitant le phénomène de portance. Mais à mesure des décennies, les enjeux de l’aérodynamique ont évolués.

Les enjeux de la maîtrise de l’aéronautique des F1 actuelles sont doubles. D'une part, utiliser le phénomène de portance pour clouer l’auto au sol, et d’autre part limiter et utiliser la traînée générée en orientant les flux d’air dans des directions spécifiques. Le refroidissement et la recherche d’appui dépendent en effet de l’arrivée d’air.

Les ingénieurs arrivent habilement à guider le flux d’air frontal vers des zones très précises, notamment le fond plat et les flancs. Pour cela, il est nécessaire qu’un tourbillon se forme. Pour cela, il faut générer une différence de pression entre le haut et le bas de l’aileron. Ainsi, aux extrémités de ce dernier, l'air à basse pression en dessous de l'aileron a tendance à rouler jusqu'à la région de haute pression au-dessus de l'aileron. En effet, l’air essaye de trouver un raccourci sur le bord, et s’échappe en tourbillonnant de la surface du dessus pour passer à celle du dessous, formant deux tourbillons. Il introduit un terme de traînée appelé « traînée vortex ». Celle-ci est utilisée pour générer de l’appui sur certains composants, au risque de supporter par effet de levier, un effet de traînée plus important. Tout est une affaire de compromis. Vitesse ou agilité.

Sur une F1 moderne, l’aileron avant représente un quart de l’appui total. L’air engendre donc un fort appui sur l’avant de l’auto et est exploité ensuite pour stabiliser et refroidir la monoplace sur toute sa longueur via les barge-boards et les déflecteurs situés devant les pontons, contribuant à sceller le fond plat. Une fois sorti du diffuseur et de l’aileron arrière, le vortex engendre ce qu’on appelle « l’air sale ». En effet, il continue à perturber le flux aérodynamique derrière la monoplace, générant les difficultés constatées ce dernière années pour qu’une monoplace en suivre une autre. D’autres vortex sont créés pour éviter que l’air vienne percuter le pneu et le contourne plutôt.


Ci-dessus, deux vortex générés aux extrémités de l'aileron arrière de la Williams au GP du Brésil 2019

L’apparition du vortex


Les vortex sont donc omniprésents dès qu’une F1 est en mouvement, mais sont généralement invisibles, à l'image du vent. C’est seulement sous certaines conditions qu’ils deviennent perceptibles à l’œil. Pour cela, il est nécessaire que le temps soit humide ou frais. En effet, au passage dans le vortex, l’air frais et humide va se condenser dans le vortex, créant une traînée de condensation visible à l’œil nu. Sur les monoplaces 2019-2020, les vortex issus de l’aileron arrière sont les plus visibles.

Utilisés à outrance par les ingénieurs, les vortex sont testés via la CFD (simulateurs informatiques) et en soufflerie. Cependant, il est fréquent que les données soient différentes en laboratoire et sur les circuits. Il est donc nécessaire d’analyser si le flux aérodynamique déterminé en usine s’applique sur la monoplace sur circuit, et cela passe notamment par l’usage des tubes pitots et des sondes de kiels.

Les Vortex sur la Williams


Dans les papiers des ingés, Technique et Histoire




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Arno5
Arno5 :
"© Motors Inside - Les vortex à l'arrière de l'Alfa Roméo" sur l'image en haut de page, il s'agit plutôt d'une Alpha-Tauri que d'une alfa-Roméo.
Il y a 6 jours
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