L'intérêt de la CFD dans les développements aérodynamiques

La concurrence de plus en plus féroce à laquelle se livrent les équipes les mène à rechercher des moyens permettant de proposer des nouveautés aérodynamiques à presque chaque course.

La simulation numérique CFD (Computational Fluid Dynamics) fait partie des outils les plus prisés par les ingénieurs aérodynamiciens. ToileF1.com vous propose de comprendre l’intérêt de cet outil.

Le principe de base d’une simulation numérique, qu’elle concerne l’aérodynamique, la thermique ou la mécanique, est le suivant : un logiciel puissant "découpe" le modèle 3D de la pièce à étudier en éléments de taille très faible, et calcule sur chacun de ces éléments les principes physiques de base. En reconstituant le tout, on obtient le résultat du calcul pour la pièce complète.

L’intérêt de cette méthode est que les équations qui régissent ces lois physiques sont souvent plus simples à appliquer sur des formes simples (telles qu’un cube ou un tétraèdre). On est alors en mesure d’étudier des pièces de formes complexes. Plus ces éléments sont petits, plus on gagnera en précision. L’inconvénient est que cela nécessite des ressources de calculs conséquentes, bien que les récents progrès informatiques aient tendance à régler ce problème.

Le principe de ces simulations s’applique donc pour n’importe quelle loi de la physique. Depuis plusieurs années, les équipes d’ingénieurs sont en mesure de simuler les contraintes dans les monocoques, dans les composants de la boîte de vitesses ou des suspensions, ou encore calculer les dimensions des radiateurs grâce à ces techniques. De la même manière, on peut analyser l’écoulement des flux d’air autour de la carrosserie et ainsi comprendre son impact sur le comportement en piste : c’est le CFD. L’étude de l’efficacité aérodynamique des monoplaces par simulations CFD est quelque chose de relativement récent et les équipes ne s’y prennent pas toutes de la même manière.

Le schéma classique consiste à vérifier systématiquement la validité des calculs CFD par le biais d’essais en soufflerie traditionnelle, étant donné que les lois de la dynamique des fluides nécessitent de faire de nombreuses hypothèses simplificatrices. L’intérêt du CFD est de permettre de sélectionner les concepts plus rapidement, sans avoir à tous les reproduire sur maquette à échelle réduite, puis de pouvoir se concentrer sur une analyse très détaillée, d’un flap d’aileron ou du diffuseur par exemple.

Cependant, l’équipe Virgin s’est vantée lors de son arrivée en 2010 d’offrir à ses pilotes la première voiture entièrement conçue à l’aide du CFD. Beaucoup de directeurs techniques, comme Mike Gascoyne (Lotus) ou Adrian Newey (Red Bull Racing) se sont alors montrés très sceptiques. L’utilisation du CFD seul n’a de sens que si l’on valide le calcul à l’aide de la maquette réelle. Au final, on soupçonne Virgin d’avoir opté pour le 100% CFD uniquement à cause de l’ampleur de l’investissement nécessaire à l’acquisition et l’exploitation d’une soufflerie.

La meilleure illustration à cela réside dans la forme actuelle de la Renault R30. Petit retour en arrière : La soufflerie aurait souffert de dégâts importants en 2008 suite à un dysfonctionnement. L'équipe d’Enstone a ensuite énormément souffert en 2009 avec une saison désastreuse sur le plan technique. Dans ce laps de temps, la soufflerie a été remise en état et entièrement recalibrée. Par ailleurs, en 2007, Renault a massivement investi dans un programme CFD. La Renault R30 est donc la première monoplace d’Enstone bénéficiant à la fois des nouvelles données de la soufflerie ainsi que de l’utilisation du CFD. Même s’il y a d’autres facteurs entrant en compte dans la forme de l’équipe, il suffit simplement de constater le rythme de développement atteint cette saison pour comprendre l’efficacité du duo soufflerie/CFD. La R30 a bénéficié par exemple d’une évolution d’aileron avant à presque chaque course !

Enfin, il faut rappeler également que cette année, l’utilisation de la soufflerie est soumise à restriction. Les simulations CFD permettent donc de sélectionner le plus justement possible les pièces à tester en soufflerie et ainsi d’augmenter le rythme de développement pour rester dans la course au podium.