NOTIONS D’AERODYNAMIQUE, PREMIERE PARTIE

INTRODUCTION

La mécanique appliquée aux véhicules de compétition est un domaine complexe. Mais s’il y a une spécialité particulièrement difficile à maîtriser pour les professionnels et encore plus pour les amateurs, c’est bien l’aérodynamique.

L’aérodynamique est certainement la partie la plus complexe à appréhender parce qu’on ne voit rien. Ou plus exactement pas grand-chose… En effet, lorsqu’on voit que l’arrière d’une auto se salit très vite, on peut être à peu près certain que cet endroit est le siège d’intenses turbulences. Et dans ce cas-là, si le seul problème est les salissures, on s’en sort généralement facilement en ajoutant un petit becquet. Ça, quasiment tous les constructeurs automobiles le font très bien. Et c’est d’ailleurs à la portée de n’importe quel amateur. On monte, on essaye et on voit si ça fonctionne.

Pour le pilote qui cherche de l’appui aérodynamique sans se pénaliser par une traînée aérodynamique trop importance, c’est nettement plus compliqué.

Ce qui suit n’est pas le travail d’un professionnel, mais d’un modeste amateur. Je remercie les lecteurs d’être indulgents et de bien vouloir me signaler d’éventuelles erreurs afin qu’elles soient rapidement corrigées.

HISTORIQUE ET FONDAMENTAUX

Commençons par le commencement. L’aérodynamique est arrivée dans le domaine de la compétition automobile par l’aviation. En aéronautique, on a rapidement compris que pour qu’un plus lourd que l’air vole il fallait qu’une force appliquée sur ses ailes le soulève. Cette force, est appelée portance. Mais on s’est aussi rapidement aperçu qu’une aile soumise à un courant d’air tend à suivre le flux d’air. La force qui à tendance à faire reculer l’aile s’appelle traînée.

On s’est vite intéressé à la traînée. Toutes les voitures de records anciennes avaient des formes en ogive comme les obus. Mais au départ, on ne cherchait pas à créer de la déportance.

La Jamais contente,monoplace électrique de records.

Aussi curieux que cela puisse paraître de nos jours, les ailes sont apparues sur des voitures « de tourisme » avant de l’être sur les monoplaces. En fait si on ne s’inquiète pas de la traînée, il est assez facile de générer de la déportance avec une carrosserie de monoplace. Avec une voiture carrossée, c’est beaucoup plus compliqué. Dès que les voitures de course à carrosserie fermée ont été capables d’atteindre des vitesses importantes, les pilotes ont été confrontés à un énorme problème. En effet la forme « naturelle » d’une berline génère de la portance. Au-delà d’une certaine vitesse, les pilotes sentaient leurs voitures s’alléger au point de décoller de la route, voire s’envoler. Il y a eu beaucoup d’accidents.

C’est donc tout naturellement qu’un jour quelqu’un a ajouté une aile sur une voiture carrossée. On attribue cette innovation majeure à Michael MAY qui en 1956 a monté un aérofoil au-dessus du cockpit de sa Porsche Spider. Il semble que cette auto n’ait jamais couru avec cette configuration. Les adversaires ont vite compris l’avantage procuré par l’aile et se sont arrangés pour que l’auto soit exclue des courses. Mais l’idée était née !

La Lotus 49 B a été la première monoplace équipée d’ailerons.

Le début des années 60 a été une période d’expérimentation. On n’hésitait pas à installer d’énormes ailes qui appuyaient directement sur les triangles de suspension des monoplaces. Á l’arrière, on les plaçait très haut pour éviter que le fonctionnement soit perturbé par l’avant de la monoplace. Des ruptures de pièces ont provoqué de nombreux accidents et ce type de montage a été interdit : un aileron ne peut agir que sur la partie suspendue et sa hauteur est limitée.

Dans ces années de découverte, on a beaucoup utilisé les profils NACA. La NACA est l’agence américaine pour l’aviation, devenue ensuite la NASA quand les américains ont voulu conquérir l’espace.

En 1977, on a découvert l’effet de sol. Évidemment, cette découverte là ne pouvait pas venir de l’aviation… C’est encore Lotus qui a ouvert la voie avec son modèle 78

La Lotus 78 est la première « wing-car » (voiture aile.)

Là aussi, beaucoup de systèmes plus ou moins fiables ont été utilisés et de nombreux accidents ont entraîné l’apparition de règles très strictes encadrant l’usage de cet effet. C’est l’apparition du fameux fond plat qui est toujours obligatoire.

S’il est assez facile de savoir dans les grandes lignes comment va fonctionner un profil NACA placé à l’avant d’une voiture grâce à la base de données de la NACA, c’est quasiment impossible à l’arrière. En effet, l’avant de la voiture dévie le flux d’air qui atteint l’aile arrière. Pendant des années, on a collé des brins de laine sur les carrosseries et on a photographié les voitures sur piste pour essayer de visualiser les flux d’air. L’avènement des souffleries a permis d’accéder à plus de renseignements plus rapidement.

Mais le dernier outil, celui qui a permis les plus grandes avancées, c’est le calcul numérique. La méthode des éléments finis qui peut être utilisée dans les calculs est connue depuis longtemps. Gustave Eiffel s’en servait déjà… Mais l’arrivée des ordinateurs a permis d’effectuer des calculs plus détaillés beaucoup plus rapidement.

COMMENT FONCTIONNE UNE AILE ?

Notion de pression

Tout le monde parle de la pression atmosphérique, beaucoup d’entre-nous ont une idée à l’échelle macroscopique de ce qu’est une pression de gaz et seulement certains connaissent l’analogie que je vais présenter.

On considère qu’un gaz est constitué de molécules qui sont en mouvement perpétuel. Entre les molécules, il n’y a que du vide. Autrement formulé les gaz sont constitués d’une grande quantité de vide dans laquelle évoluent des « grains de matière » qu’on appelle molécules. Chaque molécule a donc a tout instant une vitesse de déplacement. On dit que quand on met un gaz dans un espace clos, il occupe tout l’espace qu’on lui offre. En fait cela signifie que les molécules vont se répartir dans tout l’espace. Mais comme elles ont une vitesse finie et que leur mouvement est anarchique l’occupation de l’espace prend un certain temps. Une fois l’espace occupé, les molécules continuent leurs mouvements anarchiques.

De temps en temps, une molécule vient heurter une paroi. La molécule a une masse, puisqu’elle est constituée de matière. Et puisqu’elle est en mouvement, elle a une énergie cinétique, comme tous les corps en mouvement. L’énergie cinétique correspond à la masse multipliée par le carré de la vitesse du corps considéré, petit (molécule) ou gros (voiture.)

Quand la molécule heurte la paroi, sa vitesse devient instantanément nulle. Comme l’énergie se conserve, l’énergie cinétique se transmet à la paroi. La pression qui s’exerce sur la paroi, c’est en fait la somme de toutes les énergies cinétiques de toutes les molécules qui heurtent la paroi.

Evidemment, plus il y a de molécules dans un espace plus il y a de pression. Et plus l’espace contenant un certain nombre de molécules est petit, plus il y a de pression.

La pression que nous venons de définir une fois que le volume a été rempli est appelée pression statique. Statique signifie que dans l’espace considéré, il y a des mouvements de molécules, mais que le nombre de molécules reste constant : les molécules restent dans l’espace étudié. Autrement formulé, la somme de tous les mouvements de toutes les molécules est nulle.

Par contre, si on se place dans un courant d’air, la somme de tous les mouvements des molécules n’est plus nulle. Il y a toujours les mouvements individuels anarchiques, mais il y a aussi un mouvement général orienté dans le sens du courant d’air. Et ce mouvement a aussi une vitesse. Á cette vitesse, correspond donc une énergie cinétique dont l’expression est comparable à celle des énergies cinétiques des molécules prises individuellement. Cette énergie cinétique, c’est la moitié de la masse totale du gaz multipliée par le carré de sa vitesse de déplacement. On l’appelle pression dynamique. Elle a pour expression :

ρ / 2 x V²

avec ρ : masse volumique du gaz

et V : vitesse de déplacement macroscopique du gaz

Donc dans un gaz statique on a une pression statique P et dans un gaz en mouvement on a une pression statique plus une pression dynamique.

Or, on sait d’une part que la masse se conserve (sauf dans les réactions nucléaires) et d’autre part que l’énergie se conserve (sauf dans les réactions nucléaires.)

Donc, quand on met un gaz en mouvement, puisque l’énergie totale ne varie pas, que l’énergie cinétique varie et que la masse ne peut pas varier cela se traduit forcément par une variation de pression statique. Et une variation de pression statique, c’est évidemment une variation de la force qui s’exerce sur une paroi.

Ainsi quand la vitesse d’un flux d’air varie, la pression statique varie. C’est exactement comme ça que fonctionne un venturi de carburateur. L’air qui arrive au carburateur est à la pression atmosphérique (moins la perte de charge due au filtre à air, pour les puristes). Quand il passe dans la buse = le venturi, il n’y a pas de perte de masse, mais il y a une accélération de sa vitesse puisque le passage est plus étroit. Par conséquent, la pression statique diminue à cet endroit. Á l’endroit où la vitesse est la plus grande, c'est-à-dire à l’endroit ou la pression statique est la plus faible se trouve un orifice qui communique avec la cuve de carburateur qui est à pression atmosphérique. Par conséquent le moteur aspire à travers ce trou à cause de la différence de pression. Ainsi, l’essence est aspirée dans le venturi. Et plus l’air passe vite, plus l’écart de pressions est grand, plus le moteur aspire d’essence.

Pour l’aile d’avion, le principe est le même : sur l’extrados, la vitesse de l’air est plus grande. Donc la pression statique est plus faible l’air « aspire » l’aile. Sous l’intrados, la vitesse est plus faible. La pression statique est plus grande l’air « pousse » sur l’aile. L’aile aspirée sur le haut et poussée par le bas soulève l’avion. la figure ci-dessous montre les champs de pressions pour un profil NACA.