Comment les écuries se servent des treillis de capteurs aéro

Ces treillis sont habituellement installés sur les voitures de Formule 1 lors des essais hivernaux ou ceux effectués en cours de saison, ou bien encore durant les essais libres du vendredi des Grands Prix.

Un treillis est constitué d’un châssis métallique léger sur lequel sont fixés des capteurs reliés à une centrale de gestion et d’enregistrement de données. Ce treillis peut être utilisé pour mesurer la vitesse de l'air, son angle d'écoulement, sa pression et même sa température à des positions précises et spécifiques.

Les capteurs aérodynamiques recueillent des données sur le sillage de la carrosserie et des pneus, des petits appendices aérodynamiques et des ailerons, et créent ainsi des banques de données riches en informations.

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Ce treillis, fixé derrière la Haas F1 Team, va capter une "image" des flux d'air provenant du pneu arrière gauche et de la section gauche du diffuseur.

Les vortex de bouts d'aileron arrière sont visibles sur cette image.

La maquette d'une voiture la défunte écurie Lotus F1 Racing est évaluée en soufflerie.

Les treillis peuvent parfois être gigantesques et faire toute la largeur de la monoplace comme c'est le cas ici sur cette Red Bull Racing RB15.

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Les treillis sont habituellement fixés à l'avant ou à l'arrière des pneus, en haut ou juste derrière les pontons, derrière le diffuseur ou l'aileron arrière. Le treillis peut être fixe ou se déplacer verticalement lorsque la voiture roule.

"Ces sondes sont parfois des tubes de Pitot, mais aussi des tubes de Kiel [un dispositif de mesure de la pression de stagnation en dynamique des fluides, ndlr]. Ces derniers sont moins sensibles aux variations d'angle en lacet [lorsque la voiture pivote dans les virages]. Toutes ces sondes sont connectées à des capteurs de pression, ce qui permet d'obtenir une image globale de la pression statique totale", nous explique Ben Agathangelou, aérodynamicien en chef du Haas F1 Team.

"Sur ces photos de notre voiture 2016, on peut constater que ce treillis comporte 60 sondes. Plus il y a de sondes, plus l’image que nous obtenons devient précise. Par contre, plus il y a de sondes, plus nous interférons avec l’écoulement de l’air, ce qui provoque un risque d’obtenir des informations erronées", poursuit l’ingénieur.

Lors d’un essai, le pilote roule à une vitesse constante dans la plus longue ligne droite du circuit. Ces capteurs enregistrent le sillage complet du pneu et les turbulences créées par le reste de la monoplace. Le test permet de créer une carte aérodynamique en couleurs de la vélocité de l'écoulement de l’air afin de s'assurer que les données sont cohérentes (ou non) avec les données obtenues en CFD et en soufflerie. Alors, quelle sorte d’image les ingénieurs obtiennent-ils ? En voici une :

Représentation modélisée de la VF-16 Haas F1 2016

"Cette image est une représentation de notre voiture 2016 vue de l’arrière avec l'évolution des sillages, des vortex dans le diffuseur, des bords de fuite de la structure d’impact, les flux montants provenant de l’aileron arrière et les vortex créés par les extrémités de l’aileron", décrit Agathangelou.

"L’image est une grille et chaque petit carré correspond à un capteur. On obtient ainsi une image de la pression totale qui est une représentation de l'énergie qui se trouve dans le flux. La couleur bleue représente une très faible énergie tandis que ce qui est blanc montre un air non perturbé. Entre les deux sont illustrés les flux d'énergie élevée. Plus la couleur est foncée, plus l’énergie est élevée. La boîte délimitée en rouge sur la gauche représente ce que nous avons mesuré. Les carrés dotés de points indiquent des endroits où nous avons comparé l’énergie de ce flux avec ce que nous avons obtenu en CFD et en soufflerie."

Représentation des données obtenues sur la piste par Haas

"Cette première image représente la même zone que celle définie précédemment sur l’autre image. Il s’agit de l’énergie des flux telle que déterminée par les sondes du treillis en piste", nous explique-t-il. Cette image a été acquise lors des essais pré-saison organisés sur le circuit de Barcelone en 2016. Le pilote était Esteban Gutiérrez et la voiture roulait à une vitesse stabilisée de 160 km/h.

Représentation des données obtenues en soufflerie par Haas

"Cette seconde image illustre encore la même zone d’analyse, mais a été obtenue précédemment lors d’essais en soufflerie."

Représentation des données obtenues en CFD par Haas

"Enfin, cette troisième image est toujours la même zone, mais obtenue cette fois par CFD", termine Agathangelou.

Les aérodynamiciens de l’écurie Haas, comme ceux de toutes les autres écuries de F1, peuvent ainsi comparer toutes ces images avec précision et effectuer des corrélations entre ce que les outils de simulation ont prédit et ce qui se passe dans la réalité quand la voiture roule sur la piste. Par exemple, si la CFD et les essais en soufflerie prévoient un écoulement de l’air parfaitement fluide à un endroit de la voiture, alors pourquoi ces flux sont-ils perturbés par des turbulences dans la réalité ? Si des différences existent, alors la voiture réelle ne donne pas le rendement aéro prévu par les outils de conception. Le travail des aérodynamiciens est alors de trouver ce qui génère ces résultats erronés, et de les corriger, si possible.