Écoulement turbulent
Teneur
Comment la technologie moderne modifie l'aérodynamisme d'une voiture
Une faible résistance à l'air aide à réduire la consommation de carburant. À cet égard, cependant, les possibilités de développement sont énormes. Jusqu'à présent, bien sûr, les experts en aérodynamique sont d'accord avec l'avis des concepteurs.
"Aérodynamique pour ceux qui ne peuvent pas faire de motos." Ces mots ont été prononcés par Enzo Ferrari dans les années 60 et démontrent clairement l'attitude de nombreux concepteurs de l'époque à cet aspect technologique de la voiture. Cependant, seulement dix ans plus tard, la première crise pétrolière est survenue et l'ensemble de leur système de valeurs a radicalement changé. Les moments où toutes les forces de résistance dans le mouvement de la voiture, et en particulier celles qui surviennent à la suite de son passage à travers les couches d'air, sont surmontées par des solutions techniques étendues, telles que l'augmentation du volume de travail et de la puissance des moteurs, quelle que soit la quantité de carburant consommée, elles disparaissent et les ingénieurs commencent cherchez des moyens plus efficaces d'atteindre vos objectifs.
À l'heure actuelle, le facteur technologique de l'aérodynamique est recouvert d'une épaisse couche de poussière d'oubli, mais ce n'est pas entièrement nouveau pour les concepteurs. L'histoire de la technologie montre que même dans les années vingt, des cerveaux avancés et inventifs, tels que l'allemand Edmund Rumpler et le hongrois Paul Jaray (qui a créé le culte de Tatra T77), ont formé des surfaces rationalisées et jeté les bases d'une approche aérodynamique de la conception de la carrosserie. Ils ont été suivis par une deuxième vague d'experts en aérodynamique tels que le baron Reinhard von Kenich-Faxenfeld et Wunibald Kam, qui ont développé leurs idées dans les années 1930.
Il est clair pour tout le monde qu'avec l'augmentation de la vitesse, il y a une limite au-dessus de laquelle la résistance de l'air devient un facteur critique dans la conduite d'une voiture. La création de formes optimisées sur le plan aérodynamique peut déplacer cette limite vers le haut de manière significative et s'exprime par le soi-disant coefficient de flux Cx, car une valeur de 1,05 a un cube inversé perpendiculaire au flux d'air (s'il est tourné de 45 degrés le long de son axe, de sorte que son front amont est réduit à 0,80). Cependant, ce coefficient n'est qu'une partie de l'équation de résistance à l'air - la taille de la zone frontale de la voiture (A) doit être ajoutée comme élément essentiel. La première des tâches des aérodynamiciens est de créer des surfaces propres et aérodynamiquement efficaces (facteurs dont, comme nous le verrons, il y en a beaucoup dans la voiture), ce qui conduit finalement à une diminution du coefficient d'écoulement. Pour mesurer ce dernier, une soufflerie est nécessaire, ce qui est une installation coûteuse et extrêmement complexe - un exemple en est le tunnel de 2009 millions d'euros de BMW mis en service en 170. Le composant le plus important n'est pas un ventilateur géant, qui consomme tellement d'électricité qu'il nécessite une station de transformation séparée, mais un support à rouleaux précis qui mesure toutes les forces et tous les moments que le jet d'air exerce sur la voiture. Son travail consiste à évaluer toute l'interaction de la voiture avec le flux d'air et d'aider les spécialistes à étudier chaque détail et à le modifier de manière non seulement à le rendre efficace dans le flux d'air, mais également conformément aux souhaits des concepteurs. . Fondamentalement, les principaux composants de traînée rencontrés par une voiture proviennent de la compression et du déplacement de l'air devant elle et, ce qui est extrêmement important, de la turbulence intense derrière elle à l'arrière. Là, une zone de basse pression se forme qui a tendance à tirer la voiture, qui à son tour se mélange à la forte influence du vortex, que les aérodynamiciens appellent aussi « excitation morte ». Pour des raisons logiques, derrière les modèles immobiliers, le niveau de pression réduite est plus élevé, ce qui entraîne une détérioration du coefficient de débit.
Facteurs de traînée aérodynamiques
Ce dernier dépend non seulement de facteurs tels que la forme générale de la voiture, mais également de pièces et de surfaces spécifiques. En pratique, la forme générale et les proportions des voitures modernes représentent 40 % de la résistance totale à l'air, dont un quart est déterminé par la structure de la surface de l'objet et des caractéristiques telles que les rétroviseurs, les feux, la plaque d'immatriculation et l'antenne. 10% de la résistance de l'air est due au flux à travers les trous vers les freins, le moteur et la boîte de vitesses. 20% sont le résultat de vortex dans les différentes structures de plancher et de suspension, c'est-à-dire tout ce qui se passe sous la voiture. Et le plus intéressant, c'est que jusqu'à 30 % de la résistance de l'air est due aux tourbillons créés autour des roues et des ailes. Une démonstration pratique de ce phénomène en donne une indication claire - le coefficient de consommation de 0,28 par voiture diminue à 0,18 lorsque les roues sont retirées et que les trous dans l'aile sont recouverts avec l'achèvement de la forme de la voiture. Ce n'est pas un hasard si toutes les voitures à kilométrage étonnamment bas, comme la première Honda Insight et la voiture électrique EV1 de GM, ont des ailes arrière cachées. La forme aérodynamique globale et la partie avant fermée, dues au fait que le moteur électrique ne nécessite pas une grande quantité d'air de refroidissement, ont permis aux développeurs de GM de développer le modèle EV1 avec un coefficient de débit de seulement 0,195. Tesla modèle 3 a Cx 0,21. Pour réduire le vortex autour des roues dans les véhicules à moteur à combustion interne, soi-disant. Des "rideaux d'air" sous la forme d'un mince flux d'air vertical sont dirigés depuis l'ouverture du pare-chocs avant, soufflant autour des roues et stabilisant les tourbillons. Le débit vers le moteur est limité par des volets aérodynamiques, et le fond est complètement fermé.
Plus les forces mesurées par la cage à rouleaux sont faibles, plus le Cx est faible. Selon la norme, il est mesuré à une vitesse de 140 km / h - une valeur de 0,30, par exemple, signifie que 30% de l'air traversé par une voiture accélère jusqu'à sa vitesse. Quant à la zone avant, sa lecture nécessite une procédure beaucoup plus simple - pour cela, à l'aide d'un laser, les contours extérieurs de la voiture sont délimités lorsqu'ils sont vus de face et la zone fermée en mètres carrés est calculée. Celui-ci est ensuite multiplié par le facteur de débit pour obtenir la résistance à l'air totale du véhicule en mètres carrés.
Reprenant les grandes lignes historiques de notre description aérodynamique, nous constatons que la création du cycle normalisé de mesure de la consommation de carburant (NEFZ) en 1996 a en fait joué un rôle négatif dans l'évolution aérodynamique des automobiles (qui a beaucoup progressé dans les années 1980). ) car le facteur aérodynamique a peu d'effet en raison de la courte période de mouvement à grande vitesse. Bien que le coefficient de débit diminue avec le temps, l'augmentation de la taille des véhicules dans chaque classe entraîne une augmentation de la surface frontale et donc une augmentation de la résistance de l'air. Des voitures telles que la VW Golf, l'Opel Astra et la BMW Série 7 avaient une résistance à l'air plus élevée que leurs prédécesseurs dans les années 1990. Cette tendance est alimentée par une cohorte de modèles de VUS impressionnants avec leur grande surface frontale et leur trafic qui se dégrade. Ce type de voiture a été critiqué principalement pour son poids énorme, mais dans la pratique, ce facteur prend une importance relative moindre avec l'augmentation de la vitesse - alors que lors de la conduite en dehors de la ville à une vitesse d'environ 90 km / h, la proportion de résistance à l'air est environ 50 pour cent, à À vitesse d'autoroute, il augmente à 80 pour cent de la traînée totale rencontrée par le véhicule.
Soufflerie
Un autre exemple du rôle de la résistance à l'air dans une voiture est un modèle typique de ville intelligente. Un biplace peut être agile et agile dans les rues de la ville, mais un corps court et proportionnel est extrêmement inefficace d'un point de vue aérodynamique. Dans le contexte de la légèreté, la résistance à l'air devient un élément de plus en plus important, et avec Smart, elle commence à avoir un fort effet à des vitesses de 50 km / h. Il n'est pas surprenant qu'elle n'ait pas été à la hauteur des attentes à faible coût, malgré sa construction légère.
Malgré les lacunes de Smart, l'approche aérodynamique de la société mère Mercedes illustre une approche méthodique, cohérente et proactive du processus de création de formes efficaces. On peut affirmer que les résultats des investissements dans les souffleries et le travail acharné dans ce domaine sont particulièrement visibles dans cette entreprise. Un exemple particulièrement frappant de l'effet de ce processus est le fait que la Classe S actuelle (Cx 0,24) a moins de résistance au vent que la Golf VII (0,28). Dans le processus de recherche de plus d'espace intérieur, la forme du modèle compact a acquis une zone frontale assez grande et le coefficient de débit est pire que celui de la classe S en raison de la longueur plus courte, ce qui ne permet pas de longues surfaces profilées et principalement en raison d'une transition brusque vers l'arrière, favorisant la formation de tourbillons. VW était catégorique sur le fait que la nouvelle Golf de huitième génération aurait beaucoup moins de résistance à l'air et une forme plus basse et plus profilée, mais malgré la nouvelle conception et les capacités de test, cela s'est avéré extrêmement difficile pour la voiture. avec ce format. Cependant, avec un facteur de 0,275, c'est la Golf la plus aérodynamique jamais réalisée. Le ratio de consommation de carburant le plus bas enregistré de 0,22 par véhicule avec un moteur à combustion interne est celui de la Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.
L'avantage des véhicules électriques
Un autre exemple de l'importance de la forme aérodynamique dans le contexte du poids sont les modèles hybrides modernes, et plus encore les voitures électriques. Dans le cas de la Prius, par exemple, la nécessité d'une forme hautement aérodynamique est également dictée par le fait qu'avec l'augmentation de la vitesse, l'efficacité de la centrale hybride diminue. Dans le cas des véhicules électriques, tout ce qui concerne l'augmentation du kilométrage en mode électrique est extrêmement important. Selon les experts, une perte de poids de 100 kg n'augmentera le kilométrage de la voiture que de quelques kilomètres, mais, d'autre part, l'aérodynamique est d'une importance primordiale pour un véhicule électrique. D'une part, parce que la grande masse de ces voitures leur permet de restituer une partie de l'énergie consommée par la récupération, et d'autre part, parce que le couple élevé du moteur électrique vous permet de compenser l'influence du poids au démarrage, et son efficacité diminue à haute vitesse et à grande vitesse. De plus, l'électronique de puissance et un moteur électrique nécessitent moins d'air de refroidissement, ce qui réduit le trou à l'avant de la voiture, ce qui, comme nous l'avons déjà noté, est la principale raison de la détérioration du flux corporel. Un autre élément de motivation des concepteurs pour créer des formes plus aérodynamiquement efficaces dans les modèles hybrides modernes avec un module enfichable est le mode de déplacement sans accélération uniquement à l'aide d'un moteur électrique ou de ce qu'on appelle. voile. Contrairement aux voiliers, où le terme est utilisé et où le vent devrait déplacer le bateau, dans les voitures, le kilométrage avec l'électricité augmenterait si la voiture avait moins de résistance à l'air. La création d'une forme aérodynamiquement optimisée est le moyen le plus rentable de réduire la consommation de carburant.
Les débits de certaines voitures célèbres:
Mercedes Simplex
Production 1904, Cx = 1,05
Rumpler drop car
Production 1921, Cx = 0,28
Ford modèle T
Production 1927, Cx = 0,70
Modèle expérimental de Kama
Production 1938, Cx = 0,36.
Mercedes record car
Production 1938, Cx = 0,12
VW Bus
Production 1950, Cx = 0,44
Volkswagen "Tortue"
Production 1951, Cx = 0,40
Panhard Dina
Production 1954, Cx = 0,26.
Porsche 356 A
Production 1957, Cx = 0,36.
MG EX181
Production de 1957, Cx = 0,15
Citroën DS19
Production 1963, Cx = 0,33
NSU Sport Prince
Production 1966, Cx = 0,38
Mercedes C 111
Production 1970, Cx = 0,29
Volvo 245 Break
Production 1975, Cx = 0,47
Audi 100
Production 1983, Cx = 0,31
Mercedes W124
Production 1985, Cx = 0,29
Lamborghini Countach
Production 1990, Cx = 0,40
Toyota Prius 1
Production 1997, Cx = 0,29
