Le fond plat

La FIA a commencé à faire ses propositions aux équipes concernant le règlement pour la saison 2013. Un sujet potentiel pourrait être remis sur la table : retravailler le fond plat. Cette partie de la monoplace, peu visible, n’apparait pas comme 'noble' au premier abord … Pourtant cette zone est synonyme de performance phénoménale en terme d’appui, si importante qu’elle est largement réglementée depuis 1994 pour s’assurer de ne plus autoriser les possibilités extrêmes des années antérieurs (Accident A. Senna – 1994, et G. Villeneuve -1982) ! Etudions donc d’un peu plus près cette zone fonctionnelle.

Je parlerai plutôt 'd’underbody' pour désigner la partie qui se trouve sous la monoplace plutôt que le terme 'fond plat' car les nombreuses contraintes du règlement technique de la FIA ont fait disparaître le fond plat au profit d'une solution étagée en escalier.

L‘underbody est un élément qui produit de l’appui aérodynamique. Le principe (détaillé ci-dessous) est différent de celui d’un aileron, mais le résultat est le même. En effet, on crée grâce au flux d’air une dépression phénoménale sous le 'fond plat' de façon à plaquer la voiture au sol par aspiration. Cette succion est appelée 'effet de sol' (30% de la déportance totale de la monoplace est créée ainsi par effet venturi)

L’underbody travaille en symbiose avec l’aileron avant, qui nourri le flux d’air, et le diffuseur arrière, qui se charge de l'évacuer. Le tout forme une machine aérodynamique complexe permettant de créer et de répartir de l’appui sur la monoplace tout en ayant le meilleur ratio appui/trainée ! (Lift/Drag, L/D !)

Consciente du potentiel de l’underbody, la FIA l’a énormément contraint au niveau géométrique : un plan de référence sert, comme son nom l’indique, de référence de mesure verticale pour la géométrie et pour la garde au sol. A partir de ce plan, tout est 'verrouillé', laissant très peu de marge de manœuvre aux ingénieurs sur son design. En effet, la FIA désire minimiser l’effet de sol (cf. principe de fonctionnement ci-dessous) et il faut donc s’assurer que la surface véritablement plane de l’underbody ne dépasse pas une surface maximale autorisée, tout comme la garde au sol qui ne doit pas être sous une valeur minimale. En résulte, sur l'underbody, l'apparition des éléments suivants afin de maitriser ces 2 variables géométriques:

• Des plans étagés et une zone de transition de conception (Maitrise de la surface plane maxi).
• Surface plane 'plan de référence', surface la plus basse de l’underbody.
• La fameuse planche 'en bois', fixée sur le plan de référence. Elle permet en fait la maitrise de la garde au sol minimale autorisée par vérification de son usure en fin de course.

Principe de fonctionnement

Sous l’underbody, un seul phénomène physique est mis en œuvre, celui de la mécanique des fluides appliquée au flux d’air.

1. Entrant et nourri par l’aileron avant,
2. Accéléré par la géométrie du 'fond plat'. L’effet Venturi se met en œuvre (cas particulier de la loi plus générale de Bernoulli en Méca Flux : plus le flux d’air est accéléré, plus sa pression diminue)
3. Evacué par le diffuseur arrière, et qui amplifie la dépression

Effet de sol maximum atteint ?
Le monoplaces ont-elles atteint le plein potentiel de cette solution ? Solution, je le redit très intéressante, car comparée à un aileron, un diffuseur, elle apporte beaucoup de déportance, pour peu de trainée (l’optimisation de la trainée sera au cœur du règlement 2013 pour faciliter les baisses de consommation en carburant des moteurs).

Il faut que l’on regarde d’un peu plus près cet écoulement d’air et notamment ce que l’on appelle 'couche limite' en aérodynamique. L’air a une certaine viscosité, il a donc tendance à adhérer à la surface sur laquelle il s’écoule ! L’air est retenu (vitesse nulle) sur la surface et les forces de viscosité vont s’amoindrir quand on s’éloigne de la surface (vitesse plus grande), et cela s’étend sur une distance où la vitesse devient égale à celle du flux libre.

La configuration aérodynamique optimum est de rapprocher au maximum la couche limite due à la surface de l’underbody à celle de la piste. Par contre, ce n’est pas si simple car l’épaisseur de ces couches limites dépendent de la vitesse du flux d’air et donc de la vitesse de la monoplace. Cela signifie qu’en pleine vitesse en ligne droite, ou en vitesse plus réduite en courbe, il faudrait pouvoir recaler ces couches limites et donc jouer dynamiquement sur la garde au sol. On remet donc sur le tapis le fameux 'fond plat déformable' qui se déforme pour ajuster, selon la vitesse de la monoplace, la garde au sol et donc optimiser le rapprochement des couches limites. Mais cela, c'est interdit par la FIA ...

La FIA relâchera-t-elle un peu de leste sur ce périmètre technique ? Possible, car il participerait à l’objectif majeur de 2013 qui est la réduction de la trainée et donc la baisse de consommation des monoplaces … A suivre !

Professeur Agrégé en ingénierie numérique à l’Université de Versailles, et passionné de Formule 1, ma devise est la suivante: "La 3D au service de l’innovation technologique". Je suis un supporter inconditionnel du coté 'obscur' de l’ex-Renault F1 Team à Enstone ... et supporte maintenant le Lotus Renault GP.

Ma mission ? Expliquer, vulgariser le travail exceptionnel des ingénieurs F1 & techniciens pour rendre un peu plus visible la partie compétition high-tech qui se joue dans les bureaux d’études, CFD Center, et usine entre chaque Grands Prix.

Thierry Chevrot

Dans la même série:

Episode 1 : L'aileron arrière ajustable
Episode 2 : Veille technologique & Essais privés
Episode 3 : Innovation aérodynamique arrière de la R31
Episode 4 : Le KERS démystifié
Episode 5 : Les pneumatiques
Episode 6 : Les suspensions arrières