À quoi servent les grilles attachées aux F1 en essais ?

Les grilles dont sont équipées les F1 lors des séances d'essais, que ce soit hivernaux, privés en cours de saison ou bien libres au cours des Grands Prix, sont des dispositifs de mesure aérodynamique. Dans la pratique, une structure légère en métal constitue la base de ces treillis. Sur celle-ci sont installés des capteurs (souvent des tubes de Pitot mais également des sondes de Kiel) tous reliés à une unité centrale informatique de gestion et d'enregistrement des données récoltées.

Les grilles permettent de mesurer la vitesse de l'air, son angle d'écoulement, sa pression ainsi que sa température dans des positions précises ; pour ce faire, les capteurs enregistrent les données sur le flux d'air qui se trouve dans le sillage de la carrosserie, des pièces aéro ou des pneus. Dans le diaporama suivant, quelques exemples vus ce mercredi à Bahreïn (utilisez les flèches ci-dessous ou celles de votre clavier pour passer d'une image à l'autre) :

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Comme vous pouvez le voir, ces grilles sont généralement fixées devant ou derrière les pneus, derrière les ailerons ou le diffuseur, derrière ou sur les pontons. Elles sont en quelque sorte le pendant du flow-viz (ou peinture de visualisation), dans le sens où ce dernier permet d'avoir une lecture du comportement du flux aéro sur la carrosserie et les pièces alors que les sondes offrent une lecture de l'état de ce même flux une fois qu'il les a quittées.

Les données récoltées par ces grilles permettent entre autres de pouvoir visualiser simplement les vortex créés par certaines pièces, ainsi que le sillage d'éléments comme les pneus (que les écuries tentent de contrôler en amont et/ou en aval pour éviter qu'il ne perturbe la dynamique aéro globale) ou encore les ailerons. Les équipes ont développé des logiciels qui prennent les données brutes venant des sondes et produisent des images et des fichiers vidéo, aujourd'hui quasiment en temps réel.

Une fois ce tableau dressé, cela permet ensuite de comparer les données issues de la piste et celles venues de la CFD (dynamique des fluides numérique) et de la soufflerie, afin de vérifier qu'il y a une bonne corrélation tout en comprenant pourquoi quelque chose qui fonctionnait en théorie ne fonctionne pas ou pas aussi bien en pratique. Dans le cas d'un problème de conception ou fondamental, le département aérodynamique des écuries peut alors travailler pour corriger/optimiser les pièces.

Mais cela permet également aux ingénieurs sur le circuit d'avoir une indication relativement précise sur des "zones" de réglages dans lesquelles il ne vaut mieux pas s'aventurer. En effet, en testant tout un éventail de réglages d'une même pièce, comme par exemple un aileron avant, une écurie peut avoir une idée assez nette des cas de figure dans lesquels un décrochage aéro peut se produire. Cela permet d'éviter de placer la monoplace dans une situation de perte de performance.

Grilles aéro, l'exemple par l'image

En 2019, Ben Agathangelou, responsable du département aérodynamique de Haas, revenait en détail pour Motorsport.com sur le fonctionnement de ces grilles, en utilisant pour l'occasion l'exemple des données récoltées avec la VF-16 de 2016. "Ces sondes sont parfois des tubes de Pitot, mais aussi des tubes de Kiel [un dispositif de mesure de la pression de stagnation en dynamique des fluides, ndlr]. Ces derniers sont moins sensibles aux variations d'angle en lacet [lorsque la voiture pivote dans les virages]. Toutes ces sondes sont connectées à des capteurs de pression, ce qui permet d'obtenir une image globale de la pression statique totale."

"Sur [cette photo] de notre voiture 2016 (ci-dessous), on peut constater que ce treillis comporte 60 sondes. Plus il y a de sondes, plus l’image que nous obtenons devient précise. Par contre, plus il y a de sondes, plus nous interférons avec l’écoulement de l’air, ce qui provoque un risque d’obtenir des informations erronées."

Un dispositif aéro installé sur la Haas VF-16

Lors d'un test, il est demandé au pilote de rouler à une vitesse constante dans une longue ligne droite. Cela permet d'établir une base sur l'état du flux d'air et des turbulences créées en aval des différentes surfaces de la monoplace.

Une fois cela fait, une "carte aéro" complète du flux peut être créée. Celle-ci donne alors une idée de l'état réel de l'écoulement de l'air provenant de la monoplace et de corréler les données issues de la CFD et de la soufflerie.

En pratique, voilà le genre d'image que les ingénieurs obtiennent (et non, ceci n'est pas un test de Rorschach) :

Représentation modélisée du flux d'air derrière la VF-16 Haas F1 2016

À partir de données et d'images acquises lors des essais hivernaux de Barcelone 2016, quand Esteban Gutiérrez roulait à une vitesse stable de 160 km/h, Agathangelou détaillait : "Cette image (ci-dessus) est une représentation de notre voiture 2016 vue de l’arrière avec l'évolution des sillages, des vortex dans le diffuseur, des bords de fuite de la structure d’impact, les flux montants provenant de l’aileron arrière et les vortex créés par les extrémités de l’aileron."

"L’image est une grille et chaque petit carré correspond à un capteur. On obtient ainsi une image de la pression totale qui est une représentation de l'énergie qui se trouve dans le flux. La couleur bleue représente une très faible énergie tandis que ce qui est blanc montre un air non perturbé. Entre les deux sont illustrés les flux d'énergie élevée. Plus la couleur est foncée, plus l’énergie est élevée. La boîte délimitée en rouge sur la gauche représente ce que nous avons mesuré [à l'aide des grilles]. Les carrés dotés de points indiquent des endroits où nous avons comparé l’énergie de ce flux avec ce que nous avons obtenu en CFD et en soufflerie."

Dans ce dernier diaporama, pour vous donner une idée, voici ce à quoi ressemblait à l'époque la comparaison des données pour l'exacte même zone mais issues de ces différentes sources (utilisez les flèches ci-dessous ou celles de votre clavier pour passer d'une image à l'autre) :

Représentation des données obtenues sur la piste

Représentation des données obtenues en soufflerie

Représentation des données obtenues en CFD

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Avec René Fagnan