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Aérodynamique automobile

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Articles principaux : Aérodynamique et Mécanique des fluides.

L'aérodynamique automobile est l'étude des phénomènes aérodynamiques induits par l'écoulement de l'air autour d'un véhicule automobile en mouvement. La connaissance de ces phénomènes permet entre autres, de réduire la consommation des véhicules en diminuant leur traînée, d'améliorer leur comportement routier en influant sur leur portance (ou leur déportance) et de diminuer les phénomènes aéroacoustiques ainsi que les turbulences à haute vitesse.

Prise en compte très tôt dans l'histoire de l'automobile, à l'image de La Jamais contente profilée comme une torpille, l'aérodynamique automobile a pris de l'ampleur dans les années 1930. C'est en effet en 1934 aux États-Unis que la Chrysler Airflow, première automobile de série dessinée en respectant un profil aérodynamique, voit le jour. Par la suite, les automobiles ne vont cesser de s'améliorer, notamment après l'apparition des Formule 1 dont le championnat suscite encore aujourd'hui beaucoup d'effervescence dans ce domaine.

L'aérodynamique étant intrinsèquement liée à la mécanique des fluides, les essais en soufflerie sont aujourd'hui devenus indispensables aux constructeurs automobiles. Par ailleurs, en raison des phénomènes complexes mis en jeu en aérodynamique, ces derniers — et plus particulièrement les écuries de courses — ont également recours au calcul numérique (ou CFD pour « Computational Fluid Dynamics ») pour résoudre leurs problèmes.

Test aérodynamique en soufflerie d'une Ford Flex à l'aide d'un gaz opaque.

Pré-requis : grandeurs aérodynamiques[modifier | modifier le code]

Traînée ou résistance aérodynamique à l'avancement[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Traînée et Coefficient de traînée.
Coefficient de traînée d'un obstacle selon sa forme

En mécanique des fluides, la traînée est la force qui s'oppose au mouvement d'un corps dans un fluide, soit, en automobile, la force qui s'oppose à l'avancement du véhicule dans l'air. Il est donc dans l'intérêt des constructeurs de diminuer la traînée, force à l'origine d'une augmentation de la consommation en carburant et d'une dégradation de la vitesse de pointe en ligne[1].

Cette traînée F_x s'exprime par la formule[2] :

 F_x = \frac12 \rho V^2 S C_x

où :

\rho, masse volumique de l'air (en kg/m3) ;
V, vitesse du véhicule par rapport à l'air (en m/s) ;
S, maître-couple (en m2) ;
C_x, le coefficient de traînée (sans unité).

Cette expression met en avant un paramètre essentiel à la détermination de la traînée : le Cx[Note 1]. Le Cx ou coefficient de traînée est le rapport de la traînée d'un objet à celle d'un objet de même surface de référence se déplaçant à la même vitesse dans le même fluide et qui aurait un coefficient de traînée de 1. Ce nombre adimensionnel caractérise ainsi la qualité du « profilage aérodynamique » d'un objet vis-à-vis de sa résistance à l'avancement l'air dans l'axe longitudinal du véhicule.

La pression à l'avant d'une éco-mobile due à l'accumulation d'air est source de traînée.

La valeur du maître-couple S — surface frontale maximale du véhicule — peut être obtenue par calcul sur plan ou estimée par exemple, par la formule dite de Paul Frère : S = khl où h est la hauteur, l la largeur et k un coefficient de remplissage égal à environ 0,85[3]. En ce qui concerne les véhicules particuliers, le maître-couple varie entre 1,5 m2 et 2,5 m2[4].

La principale traînée (de l'ordre des 2/3) est la « traînée de forme » (ou de profil)[3]. Deux principales raisons physiques expliquent l'existence de cette résistance ; la première est due à l'augmentation de la pression à l'avant du véhicule tandis que la seconde est due au vide partiel laissé par le véhicule après son passage formant une traînée de culot ayant pour conséquence de l'« aspirer » dans la direction opposée à son mouvement[5].

Les autres traînées viennent des turbulences liées aux décollements de l'écoulement, des tourbillons ou vortex liés à la « traînée induite » par la portance, de la « traînée interne » due au refroidissement du moteur, de la circulation d'air dans l'habitacle, etc., de la traînée de frottement ou de rugosité, due à la viscosité de l'air — fluide visqueux [6].

L'importance du Cx et de la surface frontale sur la consommation[modifier | modifier le code]

En utilisation routière, une grande partie de l'énergie consommée par une automobile est utilisée pour vaincre la résistance aérodynamique à l'avancement[7]. À grande vitesse, la résistance aérodynamique est prépondérante sur les autres résistances à l'avancement étant donné que sa valeur évolue avec le carré de la vitesse.

Pour diminuer la résistance aérodynamique d'une automobile, les constructeurs peuvent agir sur deux paramètres : le Cx et le maître-couple S. L'évolution à la hausse des standards en termes de confort et d'habitabilité étant incompatibles avec une réduction du maître-couple, c'est essentiellement le Cx qui peut évoluer. En diminuant de 15 % un Cx initialement à 0,40, un véhicule roulant à 120 km/h économise un litre de carburant aux 100 km[7].

Prenons l'exemple d'un SUV (Cx = 0,38 et S = 2,70 m2) à moteur Diesel roulant à 130 km/h sur 100 km :

Fx = 0,5 × 1,2 × (36,11)² × 2,70 × 0,38 = 802,8 N
Travail = force × déplacement, soit 802,8 × 100.103 ~ 80,3 MJ

En considérant que le pouvoir calorifique inférieur (PCI) du gazole est de 36 MJ/l et que le rendement du moteur est de 40 %, on obtient une consommation de 80,3 * 100 / (36 * 40) = 5,57 litres de gazole uniquement pour vaincre la résistance aérodynamique à l'avancement noté Fx. En faisant les mêmes calculs avec un Cx de 0,30, la consommation est de 4,40 litres. Ci-dessous se trouve un tableau récapitulatif des consommations de gazole d'un SUV d'une surface frontale de 2,70 m2 en fonction de sa vitesse, pour uniquement lutter contre la Fx :

Consommation de gazole d'un SUV (en L/100 km)
Surface frontale = 2,70 m2 50 km/h 70 km/h 90 km/h 110 km/h 130 km/h
Cx = 0,38
0,82
1,62
2,67
3,99
5,57
Cx = 0,30
0,65
1,28
2,11
3,15
4,40

De la même manière pour une citadine à moteur Diesel de surface frontale de 1,74 m2, on obtient :

Consommation de gazole d'une citadine (en L/100 km)
Surface frontale = 1,74 m2 50 km/h 70 km/h 90 km/h 110 km/h 130 km/h
Cx = 0,38
0,53
1,04
1,72
2,57
3,59
Cx = 0,30
0,42
0,82
1,36
2,03
2,84

Pour une citadine d'un Cx de 0,30, le temps de trajet gagné par l'augmentation de vitesse du véhicule coûte en supplément de carburant ramené à une heure gagnée :

  • pour 1,40 €/L (prix du gazole en février 2012), l'écart de 110 à 130 km/h représente 8,1 €/h ;
  • pour 2,42 €/L, l'écart de 90 à 110 km/h représente 8,1 €/h ;
  • pour 5 €/L, l'écart de 70 à 90 km/h représente 8,5 €/h.

Pour un SUV d'un Cx de 0,38, le temps de trajet gagné par l'augmentation de vitesse de 110 à 130 km/h coûte en supplément de carburant ramené à une heure gagnée 15,9 €/h pour 1,40 €/L.

Portance ou appui aérodynamique[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Portance et Coefficient de portance.

En mécanique des fluides, la portance est la force subie par un corps en mouvement dans un fluide qui s'exerce perpendiculairement à la direction du mouvement. Cette force peut se décomposer en deux : une composante verticale F_z dénommée portance et une composante transversale F_y dénommée portance latérale; elles sont données par les formules[2] :

 F_y = \frac12 \rho V^2 S C_y
 F_z = \frac12 \rho V^2 S C_z

où :

Nez d'une F1 Renault R28, dessiné pour augmenter l'appui sur l'avant de la monoplace.
\rho, masse volumique de l'air (en kg/m3) ;
V, vitesse du véhicule par rapport à l'air (en m/s) ;
S, surface de référence (en m2) ;
C_y et C_z, les coefficients de portance (sans unité).

En aéronautique, la portance s'oppose au poids de l'aéronef et assure la sustentation. En automobile, les constructeurs cherchent à réduire ou annuler la portance aérodynamique, voire à créer (en compétition) une portance négative ou déportance, de façon à augmenter l'appui du véhicule. L'intérêt est d'augmenter l'adhérence des pneumatiques sur le sol pour augmenter la force du freinage et les vitesses de passage en courbe[1]. La déportance est obtenue par une application particulière de l'effet de sol et/ou par des surfaces profilées (ailerons) présentant le plus souvent des fentes pour augmenter la déflexion aérodynamique et le coefficient de portance Cz. À noter que l'ajout de ces précédents éléments s'accompagne nécessairement d'une augmentation du Cx et donc de la traînée ; à titre d'exemple, le Cx d'une Formule 1 est proche de 0,9. Les automobiles de compétition doivent donc trouver un compromis entre déportance et traînée[8].

Moments aérodynamiques[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Moments aérodynamiques.

Les forces exercées par l'air autour de la carrosserie engendrent également des moments selon les trois axes du véhicule : un moment de roulis M_x selon l'axe longitudinal x, un moment de tangage M_y selon l'axe transversal y et un moment de lacet M_z selon l'axe vertical z ; ces moments sont donnés par les formules suivantes[3] :

 M_x = \frac12 \rho V^2 S b C_l
 M_y = \frac12 \rho V^2 S L C_m
 M_z = \frac12 \rho V^2 S L C_n

où :

\rho, masse volumique de l'air (en kg/m3) ;
V, vitesse du véhicule par rapport à l'air (en m/s) ;
S, maître couple (en m2) ;
b, voie (en m) ;
L, empattement (en m) ;
C_l, coefficient de moment en roulis (sans unité) ;
C_m, coefficient de moment en tangage (sans unité) ;
C_n, coefficient de moment en lacet (sans unité).

La connaissance de ces moments est plus particulièrement utile pour la dynamique du véhicule.

Histoire[modifier | modifier le code]

Les premières préoccupations[modifier | modifier le code]

La Jamais Contente, parée de fleurs après son record de vitesse.

Très tôt dans l'histoire de l'automobile, les constructeurs se sont intéressés à l'aérodynamique de leurs modèles. L'un des premiers fut le Belge Camille Jenatzy qui en 1889 conçoit une automobile électrique profilée comme une torpille dans le but de battre des records de vitesse. Dénommée la Jamais Contente, elle devient la même année la première automobile à franchir la barre symbolique des 100 km/h[9]. Le texte du brevet de Jenatzy N° 281 660 du 26 sept 1898 "En résumé je revendique: 1°Dans une voiture automobile, en vue de l'obtention de vitesses exceptionnelles, la disposition à l'avant de la voiture d'un bouclier ou coupe-vent terminé en pointe et formé par deux surfaces convexes s'élevant de manière à protéger jusqu'aux parties les plus élevées de la machine…". En phase préparatoire à la réalisation d'une réplique (visible à la Cité de l'Automobile de Mulhouse) une maquette au 1/5 a été réalisée et testée en soufflerie par des étudiants de l'UTC (Université de Technologie de Compiègne) sous la direction de Joël Debout le Cx avec conducteur est de 0,758.

Dans les années 1910, quelques dessinateurs s'intéressent également à l'aérodynamisme des automobiles, à l'image de l'Alfa Romeo 40-60 HP dessinée par le carrossier Castagna, dont la carrosserie forme une carène profilée en forme d'aéronef[10]. Même si ces automobiles avant-gardistes demeurent marginales, elles traduisent une volonté des « grands » constructeurs automobiles de réduire la traînée : les pare-brise sont davantage inclinés, les roues sont carénées, etc[1].

Contrairement à l'aéronautique, l'automobile a pu, dès le début, profiter « d'un corps de doctrine, de dispositifs d'essais et d'un nombre considérable de résultats expérimentaux »[2] issus de l'aviation. Ces résultats ayant permis, entre autres, de démontrer que le meilleur profil vis-à-vis du Cx est a priori celui d'une goutte d'eau, l'ingénieur autrichien Edmund Rumpler met au point au début des années 1920 une automobile profilée comme une goutte. Testé en soufflerie par Volkswagen en 1979, la Rumpler Tropfenwagen — littéralement « voiture goutte » en allemand — disposait d'un Cx de seulement 0,28[11] ; Volkswagen n'obtint un meilleur coefficient qu'en 1988, avec la Passat[11].

Quelques visionnaires[modifier | modifier le code]

Conçue en 1921, la Rumpler Tropfenwagen disposait d'un Cx de seulement 0,28.

À la même époque, l'ingénieur hongrois Paul Jaray est le premier à noter que la forme d'un « corps de moindre pénétration[12] » est différente suivant qu'il se situe dans l'air ou au niveau du sol ; cette différence fondamentale explique que l'aérodynamique des automobiles diffère de celle des aérodynes. En effet, la traînée d'un corps fuselé à proximité du sol augmente fortement par décollement de la couche limite[12].

Cette découverte faite, il réalise avec Wolfgang Klemperer et bien avant les constructeurs automobiles, des essais dans la soufflerie du comte Zeppelin à Friedrichshafen[12] ; le résultat est une automobile profilée à la manière d'une aile d'avion, la Ley T2, sans aspérités et où tous les accessoires (phares, calandre, etc.) sont intégrés à la carrosserie. Son but était, selon Serge Bellu, « d'optimiser les performances, la consommation, la ventilation et le silence »[13].

Si le gain aérodynamique fut majeur, la carrosserie dessinée par Jaray et Klemperer engendrait de la portance par la formation de deux importants vortex, et donc de la traînée induite. Pour résoudre ce problème, Mauboussin propose « une carrosserie en forme d'aile verticale qui éliminait la traînée induite, et un étagement des maîtres couples vers la poupe formant une dérive stabilisatrice[12] ». Si les automobiles avaient auparavant la forme d'une torpille, le dessin global est désormais celui d'un berlingot, à l'image de la Mathis 333, forme reprise par beaucoup de constructeurs automobiles de l'époque, surtout allemands, comme Mercedes-Benz, Opel ou Maybach[11].

Les crises comme vecteurs de développement[modifier | modifier le code]

Les années 1930 marquent réellement le début de l'aérodynamique moderne. Alors que le « Jeudi noir » plonge l'industrie automobile dans la crise au même titre que les autres secteurs économiques — ayant notamment pour conséquence l'augmentation du prix du pétrole — les constructeurs américains opèrent une véritable révolution esthétique ; c'est la période du « Streamline Moderne ». Outre le fait de renouveler le style des automobiles pour mieux séduire, l'intérêt est d'améliorer l'aérodynamique et ainsi de diminuer la consommation[14].

Article de Everyday Science and Mechanics de 1931 s'intéressant aux automobiles « Streamlined ».

Le constructeur américain Chrysler est le premier à s'intéresser à ce mouvement et à produire en série une automobile s'en inspirant. En 1934, la Chrysler Airflow, signifiant littéralement « flux d'air » en anglais, devient rapidement l'emblème le plus expressif du courant Streamline Moderne. Malgré la crise, elle se révèle trop innovante pour susciter, outre un « succès d'estime », un succès commercial[14].

Pourtant, la Chrysler Airflow marque bien le début de l'ère des designers aérodynamiciens ; le phénomène Streamline se propage à l'Europe. En France, Peugeot dévoile au Salon de Paris 1935, la 402, berline aux lignes fluides marquée par une calandre arrondie, des ailes gonflées, une très longue carrosserie de 6 glaces, un pare-brise en coupe-vent 2 parties ainsi que des phares intégrés à la calandre[15].

Les années 1970 marqueront à leur tour un autre tournant dans l'histoire de l'aérodynamique automobile. Alors que le monde connaît son premier choc pétrolier le 6 octobre 1973, les constructeurs automobiles poussent plus loin l'aérodynamique de leurs véhicules ; le coefficient de traînée devient un critère important dans le cahier des charges. D'ailleurs, le constructeur français Citroën décide de remplacer la DS — qui avait déjà franchi un pas en avant grâce à l'ingénieur aéronautique André Lefèbvre, en contraignant l'architecture de l'automobile à l'aérodynamique et non l'inverse[16] — par la CX[17].

La Formule 1, laboratoire de l'aérodynamique[modifier | modifier le code]

La Ferrari 312 est l'une des premières monoplaces à adopter un aileron arrière.

« L'aérodynamique est la partie où le plus gros gain en performance peut-être fait, mais essayer de l'anticiper dans le but d'être compétitif est très difficile[8]. »

— Mike Gascoyne, 2002

En 1950, la Fédération internationale de l'automobile instaure le premier championnat du monde des pilotes de Formule 1 ; ces derniers disputent des Grands Prix à bord de monoplaces aux roues non-carénées, ce qui engendre une traînée particulièrement handicapante pour les performances. Le perfectionnement de l'aérodynamique est donc devenu au fil des années un enjeu majeur, au même titre que celui des suspensions ou de la motorisation.

Mais cela n'a pas toujours été le cas et les débuts ont été plutôt lents. Ce n'est qu'en 1966 qu'une première Formule 1 est testée en soufflerie ; en 1968 le premier aileron arrière apparaît sur la Ferrari 312. La raison est, qu'avant 1968, les concepteurs de F1 se contentaient de réduire la traînée sans penser au fait que l'aérodynamique pouvait servir à augmenter l'appui en ajoutant des masses fictives (des forces aérodynamiques qui n'augmentent pas la masse et donc l'inertie du véhicule)[18].

La Lotus 79, l'une des premières wing-cars.

Par la suite vont naître les wing-cars, ou voitures à effet de sol qui sont les premières monoplaces de Formule 1 dont l'intégralité (et pas seulement la carrosserie) est totalement étudiée aérodynamiquement ; les pontons, notamment, prennent la forme d'aile inversée.

Ainsi, la forme des pontons sous la voiture rétrécit l'espace entre le fond de la voiture et le sol avant d'élargir le passage. Cette particularité permet de bénéficier de l'"effet Venturi" du nom de son inventeur qui avait montré que l'air en passant par un tel chemin crée une dépression. Dans le même temps, les côtés des pontons sont isolés des flux extérieurs par des « jupes » qui descendent de la voiture jusqu'au sol. Ainsi les wing-cars bénéficient d'un puissant phénomène aérodynamique qui leur permet de coller à la route dans les virages.

Parmi les premiers exemplaires, les Lotus 78 et Lotus 79, apparues en 1977, font preuve d'une incroyable efficacité si bien qu'elles sont rapidement copiées par les autres écuries de course[19],[1].

Colin Chapman, l'ingénieur responsable de Lotus, est l'un des initiateur de cette innovation en Formule 1. Il avait choisi de s'intéresser au soubassement des monoplaces jusqu'alors largement oublié. Conscient que la création de déportance engendre celle de traînée, néfaste à l'avancement de l'automobile, il est persuadé que le soubassement peut offrir une déportance intéressante et une traînée minimale[19]. Chapman réalise alors l'intérêt d'abaisser la garde au sol de la monoplace pour profiter de l'effet de sol[1].

À la suite de diverses interdictions et restrictions règlementaires de la FIA pour limiter l'efficacité des monoplaces — une garde au sol minimale, un fond plat, etc. — les ingénieurs cherchent à retrouver l'appui qu'ils ont perdu avec les nouvelles règles. C'est ainsi que naît à la fin des années 1980, et se développe dans les années 1990, le diffuseur[1]. Celui-ci est installé à l'arrière du fond plat imposé aux monoplaces, pour recréer l'effet de sol grâce à sa forme qui permet de canaliser l'air qui sort à l'arrière des voitures.

Beaucoup d'autres éléments aérodynamiques comme les déflecteurs ou plus récemment le système F-Duct ont fait leur apparition en Formule 1 mais ils demeurent spécifiques à ce domaine de l'automobile contrairement aux ailerons ou au diffuseur qui sont présents sur certains modèles de série. On peut noter que jusqu'au milieu des années 1970, la plupart des améliorations aérodynamiques des modèles de série proviendront des connaissances acquises en sport automobile à travers les courses de prototypes d'endurance ou les courses de Formule 1[11].

Des années 1980 à aujourd'hui[modifier | modifier le code]

L'industrie automobile étant durablement touchée par la dépression depuis les années 1970, l'amélioration de l'aérodynamique automobile est devenue une réponse à la fois technique et marketing aux préoccupations des usagers[20]. Un des constructeurs à l'avoir très tôt compris est l'Allemand Audi. En 1982 est dévoilée l'Audi 100 (C3) dont le Cx, de seulement 0,30, est le plus faible jamais atteint pour une automobile de série[11]. Cette prouesse pour l'époque fut permise grâce au soin particulier apporté aux détails — qui représentent près de 6 % de la traînée[3] —, notamment au niveau des fenêtres, affleurantes à la carrosserie[11].

Afin de perfectionner leurs modèles, les constructeurs automobiles ont aujourd'hui systématiquement recours aux essais en soufflerie. Grâce à l'expérience ainsi acquise, les meilleures automobiles de série en termes d'aérodynamique obtiennent des valeurs de Cx proches de 0,25.

Néanmoins, la diminution du Cx n'est pas aisée pour des automobiles de série ; si l'aérodynamique automobile des premières années a permis de le diminuer rapidement pour atteindre des valeurs de l'ordre de 0,30, il faudra attendre près de dix ans pour passer du 0,26 de l'Opel Calibra au 0,25 de la Honda Insight I, et tout autant pour le 0,24 de la Mercedes-Benz Classe E W212 coupé [21]. Quatre ans après, Mercedes sort la Mercedes CLA et la Mercedes Classe C W205 actuelles détentrices du record sur une automobile de grande série.[réf. nécessaire]

L'EV1 de General Motors, première voiture électrique « moderne » deux places, avait, elle, largement battu ce record, avec un Cx de 0,19[22],[23] ; elle n'avait été construite qu'à 1 117 exemplaires de 1996 à 1999.

De nos jours, le record du faible Cx obtenu par une automobile « classique »[Note 2] avec une valeur de 0,19, est égalé par le concept car Mercedes-Benz Bionic ; Mercedes s'est pour cela inspirée d'un poisson-coffre pour réaliser le dessin de la carrosserie.

Historique des records de Cx sur des modèles de série
Audi 100 (C3) Subaru XT[24] Opel Calibra General Motors EV1 Honda Insight Mercedes Classe E Mercedes Classe CLA (en)
Année de sortie
1982
1985
1989
1996
1999
2009
2013
Coefficient Cx
0,30
0,29
0,26
0,19
0,25
0,24
0,23
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Influence de la géométrie d'une automobile sur son aérodynamique[modifier | modifier le code]

Profil de la partie arrière[modifier | modifier le code]

Comparaison d'une carrosserie hatchback et semi-fastback
Schéma des vortex générés à l'arrière d'une automobile

Le dessin de la poupe d'un véhicule influence fortement sa résistance aérodynamique, en raison des turbulences générées dans cette partie. Le phénomène de décollement de la couche limite, source majeure de traînée, est notamment mis en jeu ; ce phénomène intervient lorsque les flux d'air laminaires ne suivent plus la carrosserie. Plus la zone de décollement est faible et plus la traînée sera réduite, d'où l'importance du lieu du décollement[3]. En théorie, la forme idéale pour la poupe du véhicule — connue sous le nom de « arrière de Kamm » — est un cône se rétrécissant avec un angle inférieur à 15°[3].

Le dessin de la descente de toit est particulièrement important pour l'aérodynamique. Généralement en automobile, les descentes de toit « aérodynamiques » adoptent un profil dit fastback caractérisées par une pente douce du toit au coffre. Plus concrètement, des études ont démontré que la traînée est minimale pour une inclinaison de la lunette arrière de 12°, et maximale pour 30°[4] :

  • pour un angle inférieur à 12°, l'air s'écoule naturellement sur la lunette et décolle en bout de véhicule ;
  • pour un angle compris entre 12° et 30°, l'air décolle partiellement de la paroi en haut de lunette, la recolle ensuite et décolle en bout de véhicule ;
  • au-delà de 30°, l'air décolle dès la fin du pavillon et demeure dans cet état, d'où un Cx particulièrement mauvais.

Hormis l'intérêt de diminuer la traînée, repousser la zone de décollement permet de limiter le dépôt de crasses sur la vitre arrière dû aux particules éjectées de la route par les roues et ramenées par les turbulences sur la plage arrière[3].

Par ailleurs, les flux d'air latéraux du véhicule peuvent être aspirés dans la dépression arrière et générer par conséquent des systèmes tourbillonnaires, appelés vortex, nuisibles à l'aérodynamique générale. Outre le dessin du coffre et de la descente de toit, celui des arêtes latérales de la carrosserie doit également être pris en compte pour réduire ce phénomène[3].

Contribution de la partie avant[modifier | modifier le code]

La partie avant d'un véhicule particulier représente en général près de 11 % du SCx, dont 8 sont dus uniquement au refroidissement du moteur[4]. En effet, l'air entrant par la calandre du véhicule exerce une pression aérodynamique importante sur les parois du radiateur, du moteur et des conduits permettant d'acheminer l'air vers l'extérieur du compartiment moteur ; l'écoulement de l'air dans la partie avant y est donc très chaotique[3].

Les 3 % restants, dus au profil de la proue du véhicule, sont induits par la rupture de pente au niveau de la calandre provoquent « l'apparition de structures tourbillonnaires[4] ». La hauteur Zs du point de stagnation, lieu sur la surface de la calandre où la vitesse locale de l'air est nulle, est par ailleurs particulièrement importante pour diminuer le Cx ; ce dernier est minimal pour un rapport Zs/Zv (Zv, hauteur du véhicule) proche de 0,06 et maximal pour 0,2[3].

Roues, garde-boue et soubassement[modifier | modifier le code]

Les constructeurs avaient l'habitude de caréner les roues de leurs modèles, à l'image de cette Panhard & Levassor Dynamic.

La contribution des roues et des garde-boue à l'aérodynamique d'un véhicule n'est pas négligeable puisqu'elle représente entre 15[4] et 20 %[3] de la traînée totale. En effet, la rotation de la roue suscite la création autour d'elle de zones de turbulences et de recirculations. Pour limiter ces phénomènes, il suffit de caréner les roues et de réduire la cavité dans le garde-boue[3]. Mais malgré la perte aérodynamique conséquente, les roues demeurent généralement, à notre époque, non carénées pour une raison esthétique.

L'irrégularité donnée aux enjoliveurs ou aux jantes entraîne également des perturbations de l'écoulement de l'air au niveau des roues. Afin de réduire l'impact de ce phénomène sur la consommation, certains prototypes testent les jantes pleines, ou optimisées, notamment sur les véhicules électriques où l'enjeu de l'économie d'énergie est bien plus grand.

Bien que les constructeurs automobiles ne s'y soient intéressés que tardivement, le soubassement peut représenter quant à lui jusqu'à 30 % de la traînée[3] en raison des différents éléments mécaniques pouvant obstruer le passage de l'air. Hormis abaisser la hauteur du véhicule pour limiter le volume d'air s'engouffrant sous l'automobile, la solution pour diminuer l'impact du soubassement fut de le caréner, à l'image des roues.

Détails de carrosserie[modifier | modifier le code]

Les détails de carrosserie — l'arrondi bas de caisse, la rupture de pente au-dessus de la calandre, les montants de pare-brise, le culot de pavillon ou encore les montants de fenêtres — ont une contribution non négligeable à la traînée. En raison des petites turbulences qu'ils génèrent, les détails de carrosseries sont également étudiés pour améliorer le confort aéroacoustique des passagers.

L'aileron, un appendice aérodynamique classique[modifier | modifier le code]

Aileron déployé d'une Bugatti Veyron 16.4.
Article détaillé : Aileron (automobile).

Nombreux sont les appendices aérodynamiques, dont l'aileron, reposant sur un principe physique simple, le principe de Bernoulli, qui définit que l'augmentation de la vitesse de l'air s'accompagne d'une diminution de sa pression statique[8]. Le fonctionnement de l'aileron est donc d'augmenter la vitesse du flux d'air passant dans sa partie inférieure de manière à créer une dépression « aspirant » l'aileron vers le sol, d'où l'augmentation d'appui[8]. Un appui supplémentaire peut être généré par l'inclinaison de l'aileron, au détriment néanmoins d'une dégradation de la traînée, due entre autres à la formation de tourbillons[25].

Comme évoqué précédemment, l'amélioration de la déportance par l'ajout d'un aileron engendre nécessairement une dégradation du Cx, d'autant plus que son inclinaison est importante. Le dimensionnement d'un aileron doit donc prendre en compte cet aspect et trouver le meilleur compromis entre l'appui L (lift) et la traînée D (drag). L'efficacité aérodynamique d'un aileron, défini par le rapport L/D, représente ce compromis ; plus ce rapport est élevé et plus les performances de l'aileron seront bonnes[8],[26]. En Formule 1, l'efficacité aérodynamique est proche de 3[8],[26].

Analyses expérimentales et numériques[modifier | modifier le code]

Essais en soufflerie[modifier | modifier le code]

Le gaz opaque permet de visualiser les flux d'air autour de la carrosserie.

Les essais en soufflerie constituent pour les constructeurs automobiles un moyen d'obtenir des résultats empiriques de la traînée aérodynamique du véhicule, des bruits aérodynamiques générés autour de la carrosserie ou encore des efforts verticaux ou transversaux — efforts mesurés grâce à des balances — induits par l'écoulement de l'air. Un gaz opaque ou des brins de laine placés sur la carrosserie permettent par ailleurs de visualiser les lignes de courant[27].

Bien qu'il ne soit pas rare d'utiliser des modèles réduits, les souffleries automobiles accueillent généralement des maquettes à l'échelle 1 et peuvent être équipées d'un plateau tournant permettant de simuler un vent latéral, ainsi que d'un sol défilant et d'un système permettant de faire tourner les roues des véhicules, de manière à reproduire le plus fidèlement possible le déplacement d'une automobile sur la route[27].

Computational Fluid Dynamics[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Mécanique des fluides numérique.
Représentation grâce à la CFD de l'écoulement de l'air et des gradients de pression autour d'une monoplace.

La mécanique des fluides numérique, plus souvent dénommée CFD pour « Computational Fluid Dynamics », est une méthode de résolution numérique utilisée entre autres en aérodynamique automobile. Relativement récente puisque née dans les années 1970, cette méthode a pris de l'ampleur au fil des ans grâce aux progrès réalisés en informatique et permet aujourd'hui de résoudre des problèmes à géométrie complexe[1].

La CFD fonctionne donc grâce au calcul numérique ; le logiciel crée pour cela un modèle informatique de l'objet étudié, le divise en éléments finis — processus appelé « maillage » — et applique ensuite les lois mathématiques de la dynamique des fluides à chaque cellule[28]. Plus le maillage est fin (petits éléments), plus les résultats seront précis mais plus l'ordinateur aura besoin de ressources pour effectuer les calculs[Note 3]. Le résultat est « une représentation très précise des gains ou pertes au niveau aérodynamique »[28].

Le calcul numérique a notamment trouvé sa place en Formule 1, où il permet de considérablement réduire les heures passées en soufflerie ou encore d'analyser l'aérodynamique des monoplaces en virage[29] ; les écuries y passent environ 12 000 heures pour un modèle[1], ce qui constitue une source importante de dépenses. Aujourd'hui, bien que certains tentent de se dispenser d'essais en soufflerie à l'image de l'écurie de Formule 1 Virgin Racing, la CFD ne peut complètement s'affranchir de résultats expérimentaux[1],[28].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Dans la littérature anglo-saxonne, le coefficient Cx est désigné par Cd pour « drag ».
  2. En réalité, l'Aptera 2 Series, petite automobile à trois roues, est mieux placée avec un Cx de 0,15.
  3. À titre d'exemple, l'ordinateur utilisé par Renault F1 Team en 2010 est capable de réaliser plus de 38 millions d'opérations à la seconde.

Références[modifier | modifier le code]

  1. a, b, c, d, e, f, g, h et i Florent Mortel, « L'aérodynamique dans l'automobile », sur Université de Technologie Belfort-Montbéliard (consulté le 5 juin 2010) [PDF].
  2. a, b et c Jean-Pierre Brossard, Dynamique du véhicule : Modélisation des systèmes complexes, p. 235-239. Consulté le 5 juin 2010.
  3. a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l et m Pierre Duysinx, « Performances du véhicule », sur Université de Liège (consulté le 25 septembre 2011) [PDF].
  4. a, b, c, d et e Cédric Leclerc, « Réduction de la traînée d'un véhicule automobile simplifiée à l'aide du contrôle actif par jet synthétique », sur Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (consulté le 23 juin 2010) [PDF].
  5. (en) « General Aerodynamic Principals », sur Build Your Own Race Car! (consulté le 19 juin 2010).
  6. « Les composantes de la traînée », sur Volez.net (consulté le 5 juin 2010).
  7. a et b Douglas C. Giancoli, Physique générale : Mécanique et thermodynamique, De Boeck Université,‎ 1993 (ISBN 978-2804117009, lire en ligne), L'importance du Cx, p. 130. Consulté le 7 juin 2010.
  8. a, b, c, d, e et f « Introduction à l'aérodynamique en Formule 1 », sur F1 Technologies,‎ 17 juillet 2006 (consulté le 18 juin 2010).
  9. « Caractéristiques de la Jamais Contente », sur Energie Ouest Suisse (consulté le 5 juin 2010) [PDF].
  10. Serge Bellu, Histoire mondiale de l'automobile, La fascination de la vitesse, p. 49. Consulté le 7 juin 2010.
  11. a, b, c, d, e et f (en) Paul Niedermeyer, « An Illustrated History Of Automotive Aerodynamics – In Three Parts », sur The Thruth About Cars,‎ 14 février 2010 (consulté le 20 juin 2010).
  12. a, b, c et d Matthieu Barreau, Laurent Boutin, Réflexions sur l'énergétique des véhicules routiers, mai 2009, p. 11. Consulté le 19 juin 2010.
  13. Serge Bellu, Histoire mondiale de l'automobile, L'âge d'or de la carrosserie, p. 92. Consulté le 5 juin 2010.
  14. a et b Serge Bellu, « Chrysler Airflow, Aérodynamique et fluidité », Science & Vie, no Hors Série,‎ 2008, p. 37. Consulté le 23 octobre 2008.
  15. Serge Bellu, « Peugeot 402, l'automobile streamline made in France », Science & Vie, no Hors Série,‎ 2008, p. 40. Consulté le 23 octobre 2008.
  16. « Cinquantenaire Citroën DS - Saga d'une voiture d'exception », sur Cité des Sciences (consulté le 20 juillet 2010) [PDF].
  17. Serge Bellu, Histoire mondiale de l'automobile, Les chocs pétroliers, p. 251. Consulté le 5 juin 2010.
  18. Julien Trombini, Comprendre la Formule 1, chp. 2, Aérodynamique, p. 13-43. Consulté le 7 juin 2010.
  19. a et b Jean Alami, « Le coin du technicien - Le diffuseur », sur Edurance info (consulté le 10 janvier 2010).
  20. Benoît Solivellas, « Le design automobile des années 1970 : aérodynamique ! », sur Cartech,‎ 30 octobre 2009 (consulté le 17 juin 2010).
  21. « Cx 0,24 - Mercedes classe E coupé, la voiture la plus aérodynamique du monde », sur Moteur Nature (consulté le 7 juin 2010).
  22. (en) « Aerodynamics : Cd World Record », sur AutoZine Technical School (consulté le 10 août 2010).
  23. (en) Ron Cogan, « 20 Truths About the GM EV1 Electric Car », sur GreenCar.com,‎ 26 mai 2008 (consulté le 10 août 2010).
  24. (en) Brian Long, Subaru Impreza: The Road Car & WRC Story,‎ 2006 (ISBN 1845840283), p. 17.
  25. « Dossier Aérodynamique en F1 », sur Go-F1.com (consulté le 26 décembre 2010).
  26. a et b « L'aérodynamique en Formule 1 », sur Fémin-F1 (consulté le 19 juin 2010).
  27. a et b « Technique : Principes de l'aérodynamique », sur Motorlegend,‎ 5 août 2005 (consulté le 23 juin 2010), p. 2.
  28. a, b et c « Soufflerie assistée par ordinateur! », sur Renault F1 Team,‎ 26 avril 2010 (consulté le 17 juin 2010).
  29. « F1 - 2010 : soufflerie vs CFD », sur TomorrowNewsf1 (consulté le 17 juin 2010).

Bibliographie[modifier | modifier le code]


Annexes[modifier | modifier le code]

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