L'aérodynamisme d'un aileron arrière de F1

La CFD expliquée dans le sport automobile

Une analyse CFD du Red Bull 2017 a été réalisée. Le modèle CAO a été téléchargé depuis GrabCad, avec la géométrie qui a été fixée en conséquence à des fins de maillage.

Les composants d'un aileron arrière de F1.

L'aileron arrière d'une F1 a pour but de générer une force d'appui pour contrebalancer la force d'appui produite par l'ensemble avant. En fait, la répartition des forces le long du véhicule détermine l'équilibre général d'une voiture. L'aileron arrière d'une La F1 génère environ 10% de moins de force portante. que l'aile avant. En fait, l'aile arrière fonctionne différemment de l'aile avant :

L'aile arrière ne fonctionne pas en exploitant l'effet de sol
L'aileron arrière fonctionne avec flux perturbé en raison de l'interaction de l'ensemble avant/roues avec le flux.

Quels sont les principaux composants d'un aileron arrière de F1 ?

Comme l'indique l'image ci-dessus, nous pouvons atteindre le niveau élevé de light :

A plan principalLe profil plus épais de l'aileron arrière. Cette partie reste fixe lorsque le DRS est ouvert.
Rabat : le profilé plus petit qui agit comme un rabat à fente augmentant la force d'appui et empêchant le détachement du flux. Cette pièce est déplacée et ouverte par le système DRS (voir comment fonctionne le DRS ici). Le plan principal et le volet sont reliés au moyen de arêtes de poisson. Comme vous pouvez le constater, une garniture sur le rabat est présente à proximité d'une arête de poisson car, dans le cas contraire, le flux a tendance à se séparer facilement.
Dans la partie supérieure du plaques d'extrémité (les plaques latérales), nous avons des persiennes/jalousies. Ces ouvertures peuvent avoir différentes formes (horizontales ou courbes).
Garniture intermédiaireCette partie de la plaque d'extrémité est parfois élagué afin de mieux conduire le flux provenant des roues et de la carrosserie.
Garniture inférieure/ouvres : Ces persiennes situées dans la partie inférieure des plaques d'extrémité sont conçues pour fonctionner efficacement avec le diffuseur arrière et les gaz d'échappement..

Préparation CFD pour l'analyse de l'aérodynamique de l'aile arrière en F1.

Les résultats de la simulation ne sont donnés qu'à titre explicatif. En effet, un certain nombre d'approximations sont introduites comme :

Pour inspecter le aérodynamique d'une voiture de F1Un modèle de véhicule complet doit être mis en œuvre. L'aérodynamique est fondamentalement non linéaire, de sorte qu'un composant autonome a des performances différentes lorsqu'il est intégré dans un modèle complet.
Les boîte de soufflerie n'est pas aussi grande qu'elle devrait l'être (pour des raisons de ressources informatiques). En fait, l'entrée de la soufflerie devrait être au moins 15 fois supérieure à la longueur caractéristique de l'objet (c'est-à-dire la corde de l'aile), tandis que la sortie devrait être au moins 25 fois supérieure à la corde éloignée du modèle.

Quelles sont les étapes de la préparation d'un modèle CFD pour l'aérodynamique de l'aile arrière d'une F1 ?

Les étapes de la préparation d'une simulation CFD sont, en général, les suivantes :

Préparation du modèle CAO: correction de la géométrie et nettoyage afin d'éviter que le maillage ne pénètre à l'intérieur du modèle.
Maillage de surface : Génération de maillages de surface avec différents niveaux de raffinement en fonction de l'objectif de détail et des ressources de calcul
Maillage du volume : le maillage de la surface est extrudé afin de remplir le volume.
Mise en place des conditions limites : les conditions aux limites sont définies pour chaque partie du modèle. En général, pour les simulations CFD en régime permanent à froid, les conditions limites d'entrée, de sortie et de type de paroi (glissante ou non glissante) sont définies.
Sélection du type de simulation et du modèle de turbulence : Le type de simulation est choisi (stable ou transitoire), puis le modèle de turbulence est défini (par exemple k-e).

Ci-dessous, vous pouvez voir les caractéristiques du maillage et les conditions limites pour la simulation de l'aérodynamique d'un aileron arrière de F1 (Red Bull 2017).

Modèle CFD : Caractéristiques du maillage.

Nombre total d'éléments de volume ~ 10'500'000
Le type de maillage est mixte : prismes (penta) pour la couche limite et tétra pour le maillage du volume avec transition pyramidale.
La longueur minimale de la surface est de 2 mm avec un facteur de réduction de 0,5 (la longueur minimale peut donc être ramenée à 1 mm).
Le nombre total de couches est de 6, avec un facteur de croissance de 1,3. La hauteur de la première couche est de 0,44 mm.

L'estimation de la première hauteur de la couche boudaryenne a été réalisée avec l'approximation de la plaque plate afin d'obtenir un y+ ~ 30-40. Pour un aperçu plus complet de la couche limite et y+ explication, voir cet article.

Modèle CFD : Valeurs de référence et conditions limites.

Vitesse d'entrée : 50 m/s
Surface de référence : 0.23275 m^2
Longueur de référence : 0,4 m
Modèle de turbulence : k-e réalisable Tous les traitements y
Conditions limites sur les parois de la soufflerie : type de glissement
Dimensions de la soufflerie (m) : 3 x 3 x 6

Analyse CFD de l'aile arrière d'une F1.

Comme prévu, la partie supérieure de l'aile est soumise à un coefficient de pression élevé (zone de lecture). Une pression élevée signifie que l'ensemble est poussé vers le bas. La zone bleue indique une zone de basse pression, l'aile est littéralement "aspirée" vers la zone bleue. Bien entendu, la force portante produite est liée à l'angle d'attaque de l'aile. plan principal et rabat arrière (la configuration actuelle est celle d'une force d'appui moyenne/élevée).

Coefficients de portance et de traînée d'un aileron arrière de F1.

Pour le modèle actuel (aileron arrière F1 autonome), les coefficients aérodynamiques suivants ont été calculés. Pour en savoir plus sur les coefficients aérodynamiques, lisez cet article (explication des coefficients de portance et de traînée).

Cd (coefficient de traînée)=1,33

Cl (coefficient de portance)=-5,67

E (efficacité) = Cl/Cd = 4,3

Le sillage produit par l'aileron arrière d'une voiture de F1.

À l'arrière du véhicule, une zone de basse pression est générée. L'objectif de l'ingénieur est de réduire cette dépression autant que possible afin de diminuer la traînée du véhicule. Lorsqu'un véhicule en suit un autre, il ressent cette zone de dépression (s'il est suffisamment proche). Cette zone de dépression est une zone de faible énergie, également appelée "zone de pression".région de sillage“.

La définition du sillage.

Le bon sens veut que l'on définisse "réveil"la région fermée où la pression totale est égale à zéro. Cela signifie que l'écoulement a perdu à la fois sa pression statique et sa pression dynamique en raison des perturbations qu'il a rencontrées (c'est-à-dire que la perturbation est la carrosserie de la voiture). Pour en savoir plus sur l'influence du sillage, consultez l'article suivant Pourquoi est-il plus difficile de dépasser un camion qu'une voiture ?

Visualisation des lignes de fuite d'un aileron arrière de F1.

L'image suivante montre les lignes de courant à partir du plan inférieur/central de l'assemblage arrière. Cette visualisation peut donner une idée de la "lavage à contre-couranteffet " introduit par l'aile arrière d'une F1. Nous rappelons que pour l'analyse en régime permanent, les lignes de courant (lignes tangentes au vecteur vitesse) coïncident avec les lignes de trajectoire. De plus, on peut apprécier que sur la partie inférieure du plan principal, les lignes de cheminement de l'aile arrière sont plus courtes que celles de l'aile arrière. le flux est accéléré (la pression diminue donc localement - voir également la zone bleue sur le graphique Cp). Une trajectoire similaire des particules peut être filmée par des caméras lorsque les voitures roulent sur le mouillé.

La conception de l'aileron arrière de la F1 expliquée : les lamelles supérieures et inférieures.

Les lamelles inférieures sont aérodynamiques.

Coupe Z du champ de vitesse des lamelles inférieures d'un aileron arrière de F1

Les lamelles inférieures d'un L'aileron arrière de la F1 a de multiples fonctions:

Améliorer l'interaction avec le champ de pression du diffuseur.
Réduire la traînée produite par le tourbillon des plaques d'extrémité.

Comme on peut le voir sur l'image ci-dessus, les persiennes (qui, dans certains cas, sont de véritables profils aérodynamiques) constituent une sorte de canal permettant d'atténuer la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur des plaques d'extrémité. Cette caractéristique contribue en fait à réduire l'intensité des tourbillons d'extrémité. En fait, plus le Plus le tourbillon de pointe est important, plus la traînée produite est élevée.. En outre, une pointe de vortex forte modifie l'angle d'attaque effectif de l'écoulement, ce qui diminue la force d'appui produite.. Si vous souhaitez une explication plus approfondie de la traînée d'intensité des tourbillons, lisez notre article sur la traînée d'intensité des tourbillons.Comment les forces de portance et de traînée sont-elles générées dans les voitures de course ?).

Les lamelles du toit sont aérodynamiques.

Coupe Z du champ de vitesse des lamelles supérieures d'un aileron arrière de F1

Comme les persiennes inférieures, les persiennes supérieures ont pour fonction de réduire l'intensité des tourbillons. Dans certains cas, la vorticité est encore réduite par une l'interaction des tourbillons en rotation inverse (l'un dans le sens des aiguilles d'une montre et l'autre dans le sens inverse). La réduction des turbulences est également importante dans les conditions de lacet : lorsqu'un flux trop turbulent se développe, la stabilité de la voiture tend également à en souffrir. La stabilité en lacet est améliorée par le bord d'attaque arrondi de la plaque d'extrémité. (vous pouvez le voir dans la zone rouge de l'image ci-dessus).

Effet de remous dans un aileron arrière de F1.

Dans cette dernière section, nous présentons les lignes de courant dans la zone d'étude. section de l'axe central de l'aile arrière. Ce type d'analyse est le des avantages considérables porté par la simulation CFD (computational fluid dynamics) car cet outil permet de réduire considérablement les coûts de développement.

Les lavage à contre-courant La déviation de l'écoulement est très évidente. La génération de la force d'appui peut être facilement expliquée par le principe de l'action et de la réaction (Troisième loi de Newton). L'écoulement est poussé vers le haut par l'aile arrière, tandis que l'aile est poussée vers le bas. Comme vous pouvez le constater par la couleur des lignes de courant, l'écoulement accélère sur la partie inférieure du profil de l'aile et décélère sur la partie supérieure. En règle générale, lorsque la dissipation est négligeable (c'est-à-dire lorsque l'écoulement est attaché), le principe de Bernoulli peut être appliqué (pour plus d'informations à ce sujet, lire cet article : Pourquoi les balles de golf ont-elles des alvéoles ?

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