Étude aérodynamique du diffuseur et du fond plat de la Renault F1 Team R29

Modèle réduit de la Renault F1 team R29

Modèle SolidWorks

- En quoi les profils du diffuseur et du fond plat influent-ils sur les performances du véhicule ?

Plan :

1. Bases des phénomènes aérodynamiques appliqués sur une F1

2. Calculs et analyses des flux d’air par CFD (Computational Fluid Dynamics)

3. Vérification des résultats par tests en soufflerie

Introduction I II III Conclusion

1. Bases des phénomènes aérodynamiques appliqués sur une Formule 1

V: Vitesse du véhiculeF: Force aérodynamique créée par l’airP: La PortanceT: La Traînée

Fx/zLes coefficients d’efforts Cx et Cz sont définis par :

0.5. ρ .V2.Sref

Remarque: les longueurs et les surfaces de référence dépendent des dimensions de la maquette étudiée.

Introduction I II III Conclusion

. L’effet de sol : Une innovation dans l’automobile : donner un profil d’aile d’avion inverséeà la Formule 1

Le profil du châssis de la Lotus 78 (1977) Formule 1 à effet de sol

1. Bases des phénomènes aérodynamiques appliqués sur une Formule 1

Introduction I II III Conclusion

→ Procédé finalement interdit par la FIA (Fédération Internationale de l’Automobile)

. Le principe du diffuseur

Le principe physique du diffuseur repose sur celui de Bernoulli :

P1 + ½.ρ.v12 = P2 + ½.ρ.v2

2 = Cste Vue arrière de la Renault F1 Team R29illustrant la conception du diffuseur.

Le diffuseur

1. Bases des phénomènes aérodynamiques appliqués sur une Formule 1

Introduction I II III Conclusion

Modèle SolidWorks de la maquette 1/18 de la Renault F1 team R29

2. Calculs et Analyses des flux d’air par C.F.D (Computational Fluid Dynamics)

Introduction I II III Conclusion

Hypothèses réalisées pour les calculs par C.F.D. :

→ Type d’écoulement : Laminaire→ Température : 293.15 K→ Pression : 101325 Pa→ Vitesse du fluide : 27 m/s→ Réduction du domaine de calcul :

Xmin = -0.317 mXmax = 0.407 mYmin = -0.0234 mYmax = 0.15 mZmin = -0.216 mZmax = 0.216 m

X

YZ

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 1,1 4,2 9 16 25,2 35,8

Hauteur d'eau h (m )

Tra

inée

(N

Graphique représentant la Traînée en fonction de la

vitesse de la F1 calculé par CFD

2. Calculs et Analyses des flux d’air par C.F.D (Computational Fluid Dynamics)

Résultats obtenus par CFD avec diffuseur

Introduction I II III Conclusion

Domaine de calcul permettant de diminuer le

temps de résolution

Tests en soufflerie (Centrale Marseille)

Tube de Pitot pour les mesures des pressions statique et dynamique

Montage des maquettes en « miroir »

Appareils servant àrelever les mesures et à régler la vitesse dans la veine

3. Vérification des résultats par tests en soufflerie

Introduction I II III Conclusion

½ ρair u2 = ρeau.g.hFormule nécessaire aux

calculs en soufflerie

Étude réalisée en soufflerie

vitesse (m.s) h théorique (mm) h expérimental (mm) portance (N) traînée (N)0 0 0 -6,78 0,014 1 1,1 -6,77 0,128 4 4,2 -6,75 0,5

12 9 9 -6,75 1,0716 16 16 -6,77 1,8720 25 25,2 -6,82 2,9324 36 35,8 -6,92 4,140 0 0 -6,77 0

. Analyse des efforts de portance et de traînée

3. Vérification des résultats par tests en soufflerie

Introduction I II III Conclusion

Graphique comparatif des études en souffleries et par CFD

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0 1,1 4,2 9 16 25,2 35,8

Hauteur d'eau h (m)

Trai

née

(N)

. Analyse des flux d’air avec et sans diffuseur

Flux d’air avec diffuseur Flux d’air sans diffuseur

3. Vérification des résultats par tests en soufflerie

Introduction I II III Conclusion

Introduction I II III Conclusion

Conclusion:

Avantage du diffuseur sur une F1:

→ augmente l’appui aérodynamique de la F1

→ dirige les flux d’air à l’arrière du véhicule

→ permet de supprimer une partie de l’appui aérodynamique pour le véhicule situé juste derrière

A l’avenir la F.I.A. souhaite les supprimer pour rendre les courses plus spectaculaires.

Annexes:

Démonstration de la loi de Bernoulli

Un fluide soumis à son poids circule dans une canalisation en régime permanent et sans irréversibilité : en particulier, il n’y a pas de frottement interne (viscosité) ni de transfert thermique dans le fluide. On suppose de plus que la canalisation n’échange aucune chaleur avec le fluide et qu’elle ne possède aucune pièce mobile. En l’absence de mécanisme dissipatif dans le fluide, sa température est constante, mais pas sa pression. On note localement pour le fluide : ρ la masse volumique, h l’enthalpie massique, P la pression, z l’altitude et c sa vitesse.

On applique un premier principe de la thermodynamique à l’unité de masse de fluide en écoulement stationnaire à travers la canalisation :

dh + dec + dep = δwi + δqe (1)

δwi = 0 car pas de parties mobilesδqe = 0 car parois supposées calorifugées

dec = ½ d(c2) (énergie cinétique massique)dep = gdz (énergie potentielle massique)

D’après la deuxième identité fondamentale de la thermodynamique :

dh = vdp + Tds

D’après le second principe de la thermodynamique :

ds = δsech + δscδsech = 0 car parois calorifugéesδsc = 0 car transformation supposée réversible

Donc ds = 0

Donc dh = vdp et v=1/ρ (volume massique)↔ dh = dp/ρ

Donc dans (1) on a :

dp/ρ + gdz + ½ . d(c2) = 0dp + ρgdz + ½ ρ d(c2) = 0

↔ d( p + ρgz + ½ ρc2 ) = 0

Dans l’hypothèse de fluide incompressible on a ρ=constanteDonc en intégrant on a :

P + ρgz + ½ ρc2 = Cste

Dans notre étude dz et nul car on est a altitude quasi constante.

Donc on a la loi : P + ½ ρc2 = Cste

Annexes:

Soit un corps plongé dans une veine fluide uniforme . Une ligne de courant particulière se sépare au nez de la sonde pour la contourner.

Ce point de séparation est appelé point d’arrêt car la vitesse s’y annule.

Le système va effectuer cette opération

Pdyn = Ptotale – Pstatique

Un petit orifice pratiqué à l’extrémité du tube et relié à un manomètre ou un capteur de pression transmet la pression d’arrêt locale Pt de l’écoulement, la pression totale.

Pour le calcul de la pression statique, Ps, le tube de Pitot est percé tout autour du tube sur un même cercle.

Orifices permettant la mesure de Ps

Le type d’appareils de mesure utilisé donne le résultat de différence de pression en hauteur d’eau (h) d’oùl’utilisation du ρeau dans la formule des mesures en soufflerie:

½ ρair u2 = ρeau.g.h

Annexes:

Explication du choix d’une étude sur une maquette 1/18 :

En aérodynamique la vitesse est reliée au nombre de Reynolds par la relation :

L.vRe =

υ

Si l’on considère la Renault F1 Team R29 aux dimensions réelles on a L = 5.04 m à une vitesse de 100 km/h soit environ v = 28 m/s et avec υ = 10-5 dans l’air on a

Re = 1411200

Si maintenant on se place dans le cas de la maquette avec le même nombre de Reynolds (car il doit rester le même si on modifie la taille du véhicule) on a cette fois-ci L = 28 cm et la vitesse àlaquelle il faudrait travailler sur la maquette serait v = 504 m/s Irréalisable en soufflerie

Ainsi si on choisi une vitesse v de 28m/s pour la maquette cela représente un nombre de Reynolds de

Re = 784000

Si on applique maintenant ce nombre de Reynolds à la voiture réelle on obtient une vitesse pour le véhicule de :

v = 1.56 m/s soit v = 5.62km/h