Tech: Le Diffuseur d’air des F1 2009

Le diffuseur d’air de la F1 Brawn GP.

Aujourd’hui, le rôle clé du diffuseur dans une sportive moderne est d’accélérer le flux d’air sous la voiture en créant une dépression. Cette dépression permet de plaquer l’auto au sol et améliorer son grip. On augmente alors la Downforce, un terme très utilisé par les ingénieurs.

Le diffuseur arrière de la Toyota TF109.

La théorie

Pour comprendre comment fonctionne un diffuseur, nous allons nous intéresser à un profil d’aile d’avion (tranche d’une aile) relevé à l’arrière, un domaine d’étude très courant en aérodynamique.

L’air arrive au bord d’attaque du profil et se sépare en deux flux, un au-dessus du profil (au-dessus) et l’autre en dessous. Le flux passant sous le profil a plus de chemin à parcourir que celui du dessus. Par conséquent, le flux d’air sous le profil doit accélérer ce qui crée une dépression (d’après l’équation de Bernoulli). On a alors une différence de pression entre le dessus et le dessous du profil et donc une poussée vers le bas (inverse d’un avion) générant une force baptisée Downforce.

Le Chaparral 2J est une application claire de ce principe. Celui-ci dispose d’une paire de ventilateurs à l’arrière permettant d’aspirer l’air au niveau du soubassement, c’est une sorte d’aéroglisseur inversé.

Dans le même esprit, le rôle du diffuseur sur une voiture de course est d’accélérer la vitesse de l’écoulement de l’air sous la voiture et donc de réduire la pression au niveau du soubassement. La différence de pression entre les surfaces supérieures et inférieures de la voiture créée une adhérence aérodynamique à haute vitesse.

Maintenant, nous pouvons regarder plus en détail pourquoi un diffuseur a une forme si particulière.

Le diffuseur augmente en volume sur la longueur, créant ainsi un vide qui doit être rempli par l’air passant sous la voiture. Le débit volumique étant identique à l’entrée et à la sortie du soubassement, l’augmentation de la pression provoque un ralentissement de l’écoulement de l’air, c’est l’effet Venturi. L’angle d’inclinaison du diffuseur est également important, le diffuseur doit avoir un angle qui évolue progressivement afin d’empêcher la séparation des flux. De même des parois permettent de canaliser le flux afin qu’il ne se disperse pas trop vite dans l’atmosphère.

L’ajout de « clôtures » verticales permet d’optimiser l’efficacité des diffuseurs en canalisant l’air sous la voiture et donc évitant qu’il ne se répande ailleurs.

Cette figure réalisée sous SymLab montre que le coefficient de pression d’un diffuseur standard est plus important en sortie qu’en entrée (d’après Bernoulli, si la vitesse augmente, la pression diminue et inversement). Vous pouvez le voir car le bleu représente les zones de basses pressions tandis que le rouge représente les zones de hautes pressions.

La vitesse de l’air diminue à mesure que l’on se déplace le long du diffuseur. Inversement, la pression augmente jusqu’à la sortie du diffuseur.

Ces figures illustrent la vitesse d’écoulement de l’air sous la voiture (les flèches représentant les vecteurs vitesses). Le rouge indique les vitesses élevées et le bleu les faibles vitesses.

(Images : Tudor Mirron Racer)

Les logiciels tels que SymLab ou encore Fluent permettent de simuler les écoulements d’air sous les voitures. Cependant, pour obtenir des résultats corrects et de bonnes qualités, le nombre de calculs est gigantesque ce qui représente des jours entiers de fonctionnement suivant les performances des machines. Il est donc nécessaire d’avoir des ressources énormes et donc du matériel informatique très onéreux.

Voilà pourquoi les ingénieurs aérodynamiciens travaillent en permanence dans les souffleries (presque 24h/24). Même s’il est nécessaire de réaliser le modèle pour chaque expérience, ils y perdent beaucoup moins de temps (et donc d’argent) et peuvent voir concrètement les résultats des tests.

Les formules 1 actuelles s’équipent d’un « double diffuseur ». Celui-ci autorise un volume d’air plus important sous la voiture ce qui permet d’accroître encore la Downforce.

L’objectif de la réglementation 2009 a été de limiter le volume des diffuseurs, en contraignant leur hauteur et largeur. Ces dernières années, les dispositifs étaient beaucoup plus volumineux et avaient tendance à créer d’énormes turbulences derrière l’auto. Par conséquent, les voitures poursuivantes voyaient leur Downforce diminuer.

Mais grâce à leur ruse mais surtout à leur intelligence, Brawn, Williams et Toyota ont réussi à ajouter une sorte de deuxième niveau à leur diffuseur, augmentant considérablement le potentiel de génération de Downforce sans que cela puisse nuire au règlement. Certains voient ça comme une triche légale d’autres comme un éclat de génie qui permet d’avoir une bonne longueur d’avance sur la concurrence.