Comment fonctionne une soufflerie de F1 ?

Les souffleries de F1 fonctionnent en soufflant de l’air sur une maquette à l’échelle d’une voiture pour mesurer les forces aérodynamiques et optimiser la conception. Le modèle, généralement à 60 % de la taille réelle, est placé dans le tunnel et soumis à des vitesses de vent allant jusqu’à 50 mètres par seconde. Des capteurs et des caméras collectent des données sur la traînée, l’appui et les schémas d’écoulement d’air, que les ingénieurs utilisent pour affiner la forme de la voiture en vue de performances maximales sur la piste.

Comment fonctionnent les souffleries de F1

Les équipes de F1 utilisent la soufflerie pour vérifier si les idées prometteuses issues des simulations informatiques fonctionnent réellement, et pour analyser l’efficacité des différents concepts, composants et améliorations.

Dans la réalité, la voiture se déplace sur la piste en traversant l’air. Dans la soufflerie, c’est l’inverse : le modèle de la voiture est fixe et l’air circule autour de lui, grâce à un grand ventilateur qui souffle du vent.

Les souffleries ont été initialement développées pour l’industrie aéronautique et sont utilisées en Formule 1 depuis 50 ans.

Avec le temps, les souffleries de la F1 ont évolué et sont devenues encore plus spécialisées. L’une des plus grandes différences entre les tunnels utilisés en aéronautique et ceux des sports mécaniques est que la soufflerie de F1 possède un sol mobile.

Il s’agit essentiellement d’un tapis roulant très rapide qui se déplace à la même vitesse que le vent, simulant ainsi le flux d’air relatif entre la route et la voiture.

Alors que le châssis réel est fabriqué en carbone, le centre du modèle de soufflerie est une structure en aluminium solide appelée colonne vertébrale, sur laquelle divers composants sont fixés. Cela permet aux ingénieurs de modifier facilement une partie de la voiture sans affecter les autres.

La plupart des pièces du modèle de soufflerie F1 sont fabriquées en prototypage rapide et impression 3D, tandis que des composants comme les ailes sont en métal.

Le modèle est équipé de nombreux capteurs et les analystes utilisent différentes méthodes de pointe pour collecter les données. Ils peuvent également modifier la hauteur et l’inclinaison du modèle pendant les tests pour simuler la manière dont la voiture évolue et se comporte sur la piste.

Un passage dans la soufflerie génère une énorme quantité de données à analyser. Cela aide les équipes à comprendre le comportement de l’écoulement d’air et à décider si un concept ou une amélioration doit passer à l’étape suivante sur la piste.

La soufflerie de Mercedes est conçue pour accueillir une voiture à l’échelle réelle, ce qui a déjà été fait par le passé. Cependant, les responsables de la réglementation ont estimé que cela coûtait trop cher, et les équipes sont maintenant limitées à des modèles à 60 % d’échelle.

D’autres restrictions ont également été introduites pour réduire les coûts. Les équipes ne peuvent utiliser qu’une seule soufflerie et ne peuvent pas faire fonctionner le tunnel à une vitesse supérieure à 180 km/h, soit un peu plus de 110 mph.

Cela peut sembler rapide, mais cela limite leur capacité à simuler fidèlement ce qui se passe réellement en piste.

Il existe également des restrictions sur le nombre de tests que chaque équipe peut effectuer. Ces limitations sont en place depuis plusieurs années, mais ont été renforcées avant la saison 2021.

Le nombre de passages autorisés dépend désormais du classement de l’équipe au Championnat des Constructeurs.

L’équipe classée dernière a droit à 25 % de plus de passages que l’équipe première, et une échelle progressive s’applique aux équipes situées entre les deux.

Les restrictions ont été encore renforcées pour la saison 2022 et au-delà, alors que la FIA tente de rapprocher les performances en F1. Ces contraintes supplémentaires poussent les ingénieurs à tirer le meilleur parti de chaque utilisation du tunnel, les obligeant à modifier leur façon de travailler.

De plus, le tunnel lui-même comporte quelques éléments intéressants :

• La zone de test, avec un support sur lequel la voiture est positionnée pour mesurer la portance ou l’appui. C’est le point le plus étroit du tunnel, ce qui oblige l’air à accélérer juste avant de passer sur la voiture.
• La zone de propulsion, où le vent passe par le ventilateur.
• Le diffuseur, une section du tunnel qui s’élargit progressivement et aide à ralentir l’air pour mieux le diriger.
• La zone de stabilisation, située avant la zone de test, contient un treillis en nid d’abeille qui dirige le flux d’air de façon rectiligne et prévisible.
• L’unité de décompression et/ou de refroidissement est située dans une boucle pour éviter une surpression lorsque l’air circule.

La zone de test comprend également :

1. Les deux longs bras qui maintiennent la voiture en place.
2. Sous la voiture, une route roulante permet d’égaler la vitesse du vent et d’éviter que l’air ne colle à la route, ce qui fausserait les mesures.
3. La voiture elle-même, qui ne peut être qu’à 60 % de la taille d’une vraie F1.

FAQ sur les souffleries de F1

Quels sont les avantages des tests en soufflerie pour les voitures ?

Les aérodynamiques ont historiquement été développées à l’aide de maquettes à l’échelle, et cela restera inchangé pour un certain temps.

La CFD s’améliore constamment, mais elle ne remplace pas encore les tests en soufflerie, même si la F1 vise à arrêter l’utilisation des souffleries d’ici 2030. Seules deux équipes sur dix souhaitent encore les conserver après cette date : Mercedes et semble-t-il, Red Bull.

Pour développer leur aérodynamique, toutes les grandes équipes de F1 utilisent actuellement des programmes de soufflerie avec des maquettes à l’échelle.

Les avantages sont nombreux :

– Excellente corrélation entre les résultats de la maquette et la performance réelle en piste, à condition d’avoir un modèle précis et des tests intelligents.

– Précision. Les tunnels de haut niveau mesurent généralement les forces avec une précision de 0,1 %.

– Vitesse de développement. Un passage typique de 15 minutes peut simuler jusqu’à 25 attitudes de voiture, permettant une large gamme de données aérodynamiques instantanément exploitables.

– Flexibilité des tests. Les programmes permettent d’ajuster rapidement les tests en fonction des résultats, améliorant ainsi l’efficacité du processus.

– Les pièces testées coûtent moins cher et sont plus rapides à produire que pour des tests à l’échelle réelle.

Combien coûte une soufflerie de F1 ?

Les équipes de F1 investissent environ 60 à 100 millions de dollars pour construire leur propre soufflerie en usine.

Les tunnels les plus sophistiqués disposent généralement d’un grand ventilateur, réduisant les turbulences, bien qu’elles persistent. Ainsi, les mesures ne sont pas parfaitement exactes. McLaren, par exemple, possède un tunnel de 145 mètres de long en forme de boucle rectangulaire, alimenté par un ventilateur géant de quatre mètres de diamètre tournant à 600 tr/min.

Avant 2009, les équipes faisaient tourner leur tunnel tous les jours.

Aujourd’hui, grâce à la dynamique des fluides numérique (CFD), il est possible de réduire l’usage de la soufflerie. Ce logiciel, beaucoup moins coûteux, permet de prédire la performance aérodynamique à partir des dimensions du véhicule.

Combien de temps les équipes de F1 passent-elles en soufflerie ?

Depuis 2021, avec l’introduction du plafond budgétaire, l’utilisation des souffleries a été réduite à 40 passages par semaine.

La répartition du temps de soufflerie et de CFD dépend désormais des performances en piste.

Mercedes a reçu 90% de l’allocation, soit 36 passages par semaine. En revanche, Williams (10e) pouvait faire 45 passages hebdomadaires avec une allocation de 112,5%.

Le quota maximum en 2024 est de 46 passages hebdomadaires (équipe 10e) et 28 pour la première.

Autrefois, les équipes pouvaient utiliser plusieurs souffleries 24h/24 sans restriction.

Toutes les équipes de F1 ont-elles leur propre soufflerie ?

Non, certaines équipes partagent des installations. Ferrari et Haas, ou encore Red Bull et Racing Bulls, en sont des exemples. D’autres comme McLaren ou Aston Martin ont récemment investi dans leur propre soufflerie.

Combien d’heures de soufflerie sont attribuées aux équipes de F1 ?

Les heures sont attribuées selon le classement au Championnat des Constructeurs précédent. L’équipe classée dernière reçoit 400 heures, celle en tête 320 heures pour 2024.

Quelle est la vitesse maximale autorisée dans une soufflerie F1 ?

La vitesse maximale est de 50 mètres par seconde (environ 112 mph), mesurée par rapport au modèle à 60 % de taille. L’accélération maximale autorisée est de 4,5 m/s².

Traduit à partir de l’article anglais “How Does An F1 Wind Tunnel Work?“