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F1 Technique: Comment fonctionne une soufflerie ?

F1 Technique: Comment fonctionne une soufflerie ?

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La forme générale d’une voiture de Formule 1 est strictement définie par les règlements techniques de la FIA. À l’intérieur de ce canevas, les ingénieurs conçoivent des voitures effilées, mais qui génèrent une énorme poussée aérodynamique verticale appelée appui.

Bien avant qu’elles soient construites, les performances aérodynamiques des voitures de F1 sont évaluées en soufflerie à l’aide de modèles réduits.

Une soufflerie est un outil destiné à étudier les effets de l’air circulant autour d’un objet fixe. Elle consiste en un tube circulaire dans lequel circule de l’air en mouvement.

L’objet à évaluer est situé au milieu dans une chambre d’essais. Le vent est créé par une hélice, et pour éviter qu’il soit perturbé, l’intérieur du tunnel possède des déflecteurs qui corrigent son flux.

Ventilateur de la soufflerie de Red Bull Technology.
Ventilateur de la soufflerie de Red Bull Technology. (Photo: Red Bull)

Il existe 2 types de souffleries. Un est appelé à veine ouverte, car il existe une entrée d’air et une sortie d’air. Les écuries de F1 disposent plutôt de souffleries à veine fermée, ce qui signifie que l’air emprisonné circule en circuit fermé, ce qui génère un flux d’air très constant.

Ces souffleries sont dites à basse vitesse, ce qui veut dire que la vitesse de vent est comprise entre 10 et 100 mètres/seconde. Des déflecteurs sont placés à chaque coude à chacun des 4 coudes à 90° de la veine fermée.

Les membres du département aérodynamique fabriquent des modèles réduits qui sont des copies exactes de la véritable voiture, comprenant les roues, suspensions, ailerons et même le casque du pilote.

Le modèle réduit est constitué d’un squelette métallique rigide sur lequel sont fixés, boulonnés ou collés les différentes parties des monoplaces faits en fibre de carbone, en aluminium et surtout en résine moulée par prototypage rapide.

Puisque le modèle réduit se comporte exactement comme la voiture réelle, les aérodynamiciens doivent effectuer des comparaisons entre le modèle réduit et la vraie voiture avec le nombre de Reynold. Ce nombre représente la mesure du rapport entre les forces d’inertie et l’écoulement d’un fluide visqueux comme l’air.

F1 Soufflerie Ferrari Maranello
Bâtiment de soufflerie Ferrari, à Maranello. (Photo: Ferrari)

Le modèle réduit complet est placé dans la chambre d’essais de la soufflerie. Il repose sur un tapis roulant qui simulera la piste. Le principe est de faire défiler le sol à la même vitesse que le vent afin de récréer des conditions proches de celles de la réalité. De plus, les roues de la voiture tournent. Car à plus de 300 km/h, elles produisent beaucoup de turbulence.

Le ventilateur, actionné par un moteur électrique, est démarré et produit le vent dans la soufflerie. Les forces aérodynamiques qui s’exercent sur la voiture sont mesurées par des balances, des câbles ou des tiges. Mais le modèle réduit n’est pas fixe. Il est soutenu par un mat central fixé au plafond de la chambre d’essais.

L’écoulement de l’air peut être visualisé en collant des bouts de laine sur la carrosserie.

Une autre méthode de visualisation consiste à souffler un jet de fumée blanche devant la voiture. Les ingénieurs peuvent aussi recourir à de la peinture fluorescente à base de paraffine qui s’écoule puis fige, ce qui permet de bien voir le flux d’air. Une dernière méthode consiste à appliquer de la peinture sensible à la pression. Plus la pression de l’air est élevée, plus la peinture devient foncée.

Mais pour obtenir des chiffres vérifiables, le modèle réduit est fixé au bout du mat qui peut bouger dans plusieurs directions. Ainsi, la voiture miniature peut être placée dans des attitudes différentes par rapport à la piste. On peut ainsi simuler la position de la voiture en virage, au freinage, en accélération, et même faire varier sa hauteur de caisse avec une précision de 0,01mm. Les mouvements de la voiture sont contrôlés par un ordinateur.

Il est intéressant de noter que la succion créée par le fond plat et le diffuseur de la voiture est si puissant que le tapis roulant a tendance à se soulever, ce qui fausse les données obtenues. Ainsi, le tapis est retenu en place par un dispositif de vacuum.

Maquette d'une monoplace de Formule 1 placée sur le tapis roulant de la soufflerie.
Maquette d'une monoplace de Formule 1 placée sur le tapis roulant de la soufflerie. (Photo: Toyota TMG)

Mais ces essais en soufflerie coûtent cher. Afin de réduire les budgets, la FIA a imposé des limitations. Les modèles réduits ne peuvent excéder la taille de 60% de la voiture réelle et la vitesse du vent est limitée à 50 mètres/seconde, ce qui équivaut à 180 km/h.

Les données obtenues en soufflerie sont ensuite comparées à celles enregistrées lors d’essais en lignes droites sur des aérodromes, ce qui est permis d’effectuer à 4 reprises durant une saison complète.