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À la recherche de la perfection dans la soufflerie Audi

À la recherche de la perfection dans la soufflerie Audi

Dans la soufflerie aéroacoustique Audi, les spécialistes en aérodynamique optimisent la forme de l’Audi RS e-tron GT jusqu’à atteindre la perfection.

Texte: Bernd Zerelles − Photos: Robert Fischer  Film: graupause Temps de lecture: 9 min

Gros plan de la lumière qui traverse les aubes directrices dans la soufflerie aéroacoustique Audi.Gros plan de la lumière qui traverse les aubes directrices dans la soufflerie aéroacoustique Audi.

Lorsque l’on examine le ventilateur dans la soufflerie aéroacoustique Audi, la première chose que l’on remarque, c’est l’écart entre chacune des extrémités des 20 pales du rotor et le caisson en béton. Un écart de plusieurs centimètres qui laisse perplexe. S’agit-il d’un manque de précision qui fait gaspiller de l’énergie? Moni Islam, responsable du développement de l’aérodynamique et de l’aéroacoustique chez Audi, explique : « Lorsque la turbine fonctionne à la puissance d’entraînement maximale de 2 720 kW, les pales en aluminium s’allongent sous l’effet de la force centrifuge, de sorte que cet écart est presque complètement comblé. Après tout, nous générons ici la même force qu’un vent pouvant atteindre une vitesse de 300 km/h sur le véhicule d’essai. »

Tout le monde doit alors évacuer la soufflerie. Les 20 pales du ventilateur de cinq mètres de large se mettent lentement à tourner. Le débit d’air en rotation est d’abord stabilisé par les 27 aubes directrices du stator situé à l’arrière. Deux changements de direction se produisent ensuite dans la soufflerie, où des aubes en rotation spécialement conçues répartissent l’air de manière uniforme. Les grilles en aval des aubes dissipent les turbulences les plus fortes qui se forment inévitablement à proximité des coins et du ventilateur. L’air passe ensuite à travers une structure en nid d’abeille pour orienter l’écoulement dans une grande chambre de stabilisation en aval. Enfin, il est accéléré par un facteur de 5,5 à travers la buse avant d’atteindre de plein fouet l’Audi RS e-tron GT, dans le plénum, la chambre principale, à la vitesse souhaitée.


Lumière qui traverse les aubes directrices verticales dans la soufflerie aéroacoustique Audi.Lumière qui traverse les aubes directrices verticales dans la soufflerie aéroacoustique Audi.
Thomas Redenbach, responsable du développement de l’aérodynamique et de l’aéroacoustique chez Audi, passe sa main sur la soufflerie aéroacoustique Audi.Thomas Redenbach, responsable du développement de l’aérodynamique et de l’aéroacoustique chez Audi, passe sa main sur la soufflerie aéroacoustique Audi.
Profil latéral d’une colonne d’air au-dessus d’une Audi RS e-tron GT dans la soufflerie.Profil latéral d’une colonne d’air au-dessus d’une Audi RS e-tron GT dans la soufflerie.

Le véhicule est placé sur une balance de précision qui mesure les forces aérodynamiques agissant sur le véhicule. Ses roues sont placées sur quatre mini-tapis roulants qui veillent à ce que les roues tournent à la vitesse du vent. Un large tapis roulant placé sous la voiture simule le mouvement de la chaussée par rapport au véhicule à toutes les vitesses. De plus, une partie de l’écoulement d’air, appelée couche limite, est aspirée par des plaques perforées réglables avec précision situées au sol devant le véhicule avant qu’il n’atteigne ce dernier Les spécialistes en aérodynamique appellent cette construction « simulation au sol complète ». Cela aide à garantir une circulation d’air réaliste autour du véhicule.

Une fois que l’air a dépassé l’Audi RS e-tron GT, le flux élargi du plénum est capté par le collecteur à l’arrière et renvoyé dans le circuit de la soufflerie, vers la turbine à rotor. Ainsi s’achève le cycle de l’air dans la soufflerie aéroacoustique Audi – et si vous trouvez cela compliqué, c’est parce que ça l’est vraiment.


Kentaro Zens, aérodynamicien responsable de l’Audi RS e-tron GT, sous le soubassement de carrosserie d’une RS e-tron GT.Kentaro Zens, aérodynamicien responsable de l’Audi RS e-tron GT, sous le soubassement de carrosserie d’une RS e-tron GT.
Kentaro Zens et Thomas Redenbach discutent de la RS e-tron GT devant un ordinateur dans la salle d’observation des installations d’essais aérodynamiques d’Audi.Kentaro Zens et Thomas Redenbach discutent de la RS e-tron GT devant un ordinateur dans la salle d’observation des installations d’essais aérodynamiques d’Audi.

Un procédé complexe pour obtenir un écoulement d’air parfait

Kentaro Zens, responsable du développement de l’aérodynamique et de l’aéroacoustique de l’Audi RS e-tron GT précise : « Sur la route, le véhicule se déplace dans l’air. Ici, dans la soufflerie, c’est exactement l’inverse : le véhicule est à l’arrêt et nous faisons circuler l’air le plus uniformément possible autour de lui. Nous mettons tout en œuvre pour obtenir un écoulement d’air parfait. Ce n’est que lorsque l’écoulement d’air atteint le véhicule précisément au bon point que nous pouvons prendre des mesures exactes et fiables. »

Kentaro Zens est assis à son poste de travail, à côté du pupitre de commande, où les opérateurs contrôlent la soufflerie. Il peut voir sur les écrans toutes les données pertinentes : quel est le coefficient de traînée, quelle est la portance de l’essieu avant, quelle est la portance de l’essieu arrière, quelle est la vitesse du vent et du tapis roulant?

À ses côtés se trouve Thomas Redenbach, responsable du développement de l’aérodynamique et de l’aéroacoustique des véhicules en projet : « Lorsque la soufflerie a été mise en service, c’était la première soufflerie pour véhicules de tourisme au monde à combiner la simulation au sol des conditions réelles sur route pour l’aérodynamique avec une fonctionnalité aéroacoustique aussi silencieuse. »

«Chaque millième d’amélioration du coefficient de traînée augmente le potentiel d’autonomie.»

Dr. Moni Islam

Portrait de Moni Islam, responsable du développement de l’aérodynamique et de l’aéroacoustique chez Audi, devant le contrôle actif du bruit de la soufflerie.Portrait de Moni Islam, responsable du développement de l’aérodynamique et de l’aéroacoustique chez Audi, devant le contrôle actif du bruit de la soufflerie.
Gros plan sur l’écoulement d’air après le rétroviseur extérieur de l’Audi RS e-tron GT.Gros plan sur l’écoulement d’air après le rétroviseur extérieur de l’Audi RS e-tron GT.
Gros plan de l’ordinateur et du poste de travail des spécialistes en aérodynamique chez Audi.Gros plan de l’ordinateur et du poste de travail des spécialistes en aérodynamique chez Audi.

La simulation ne remplace pas la soufflerie

Néanmoins, les simulations informatiques jouent un rôle de plus en plus important dans le développement aérodynamique. La simulation CFD (Computational Fluid Dynamics, ou mécanique des fluides numérique) recrée l’écoulement de manière informatique et permet l’analyse et la visualisation des mouvements de flux. Alors, pourquoi maintenir le travail complexe et coûteux de la soufflerie? Thomas Redenbach répond : « La soufflerie est notre outil quotidien qui nous permet également de confirmer les résultats de la simulation. Nous voulons développer encore davantage les simulations. Pour pouvoir les valider et les rendre représentatives, nous devons vérifier les calculs. »

Toutefois, les simulations informatiques s’améliorent et deviennent de plus en plus importantes. Kentaro Zens déclare : « Pour l’Audi RS e-tron GT, nous avons simulé un nombre d’heures particulièrement élevé : plus de neuf millions d’heures de calcul. J’ai passé 150 heures dans la soufflerie avec le véhicule, ce qui est très peu. À titre comparatif, pour l’Audi R8, j’y ai passé 600 heures. » Cela montre non seulement la qualité du design de l’Audi RS e-tron GT, mais aussi que le processus de développement a été considérablement raccourci, une voie qu’Audi s’efforce de suivre pour ses futurs modèles.

Moni Islam ajoute : « La soufflerie et la CFD sont deux outils complémentaires de l’aérodynamique. Très précise et rapide, la soufflerie nous permet de travailler de manière très efficace sur le processus de développement dynamique. La simulation, quant à elle, nous fournit une quantité incroyable d’informations, mais elle nécessite de gros efforts de préparation et d’analyse des résultats. Un seul de ces deux outils ne suffirait pas à assurer le développement aérodynamique moderne. »

«Nous investissons énormément de temps dans les derniers 20 % du processus d’aérodynamique. »

Thomas Redenbach

Tirer parti du potentiel en matière d’autonomie

Pour les véhicules électriques comme l’Audi RS e-tron GT, les deux techniques profitent à l’aérodynamisme (déjà en raison du soubassement fermé). Toutefois, les défis auxquels sont confrontés les 31 collaborateurs du service de développement aérodynamique de Moni Islam sont de plus en plus nombreux « Chaque millième d’amélioration du coefficient de traînée nous permet d’augmenter le potentiel d’autonomie », explique Moni Islam.

Les spécialistes en aérodynamique identifient le potentiel du véhicule à l’aide de résultats de simulation qui indiquent des sensibilités : si je modifie légèrement la géométrie au point X de la forme, quelle en est l’influence sur l’écoulement d’air? Commence ensuite le travail que Moni Islam décrit comme suit : « L’aérodynamique est aussi un travail de détective méticuleux, car nous ne pouvons pas voir l’air. Nous devons essayer d’isoler le problème à l’aide d’une approche analytique basée sur les valeurs données par la balance de la soufflerie. »

À cette fin, les ingénieurs travaillent également avec différentes pièces rapportées sur le procédé de prototypage rapide. Des conceptions de CAO sont tout d’abord créées pour définir la géométrie des composants, par exemple une entrée d’air au niveau de la jupe avant. Ensuite, les collaborateurs de la gestion des modèles convertissent les variantes souhaitées, qui peuvent être multiples, en un composant de test à l’aide de cette technologie de pointe. Les différentes variantes des composants sont ensuite successivement testées sur le modèle du véhicule. Les mesures reflètent le coefficient de traînée et la portance. Ces résultats sont comparés aux simulations CFD avec une configuration exactement identique afin de garantir la reproductibilité des résultats de simulation.

Deux spécialistes en aérodynamique chez Audi inspectent le soubassement de carrosserie d’une Audi RS e-tron GT sur une plateforme surélevée.Deux spécialistes en aérodynamique chez Audi inspectent le soubassement de carrosserie d’une Audi RS e-tron GT sur une plateforme surélevée.
Gros plan d’une main montrant la lèvre en plastique du soubassement de l’Audi RS e-tron GT qui dirige efficacement l’écoulement d’air.Gros plan d’une main montrant la lèvre en plastique du soubassement de l’Audi RS e-tron GT qui dirige efficacement l’écoulement d’air.

« Pour 80 % de l’aérodynamique d’un véhicule, il faut 20 % du temps. Mais pour les 20 % restants, qui consistent à identifier les améliorations de l’ordre du millième à apporter à de nombreux petits endroits, nous passons énormément de temps, explique Thomas Redenbach, en décrivant le travail de détective réalisé dans la soufflerie. Ce n’est qu’au prix de tous ces efforts et d’une attention particulière portée aux détails que nous pouvons produire des résultats optimaux. »

Du point de vue de l’écoulement d’air, quel a été le détail le plus difficile sur ce modèle Gran Turismo pour les spécialistes en aérodynamique responsables de l’Audi RS e-tron GT? Kentaro Zens réfléchit un moment. « La jupe avant avec ses quatre composants qui s’imbriquent. Comme l’air pénètre dans les entrées, le volet intérieur se ferme, mais cela pose un problème. L’air circule partout et ce n’est pas ce que nous recherchons. Il est essentiel de contrôler la répartition de l’air et de l’adapter avec précision. C’est un énorme travail d’équipe, qui demande les efforts conjoints et coordonnés de mes collègues des services de sécurité des véhicules, de construction, de production et d’assemblage. »

Zens souhaite notamment attirer l’attention sur la conception des dénommés rideaux d’air en combinaison avec le passage de roue : « L’étroite coordination hebdomadaire avec les concepteurs Audi nous a non seulement permis d’optimiser aérodynamiquement le passage de la partie avant à la partie latérale au niveau du rideau d’air, mais aussi de l’intégrer de manière cohérente à la conception globale. Le moindre élément de l’Audi RS e-tron GT a une fonction et un sens. Ce modèle a un caractère fonctionnel authentique qui me plaît énormément. »

Profil latéral de la roue d’une Audi RS e-tron GT pendant qu’un canon à fumée montre l’écoulement d’air au-delà du passage de roue.Profil latéral de la roue d’une Audi RS e-tron GT pendant qu’un canon à fumée montre l’écoulement d’air au-delà du passage de roue.

«L’aérodynamique vise à faciliter le design. »

Dr. Kentaro Zens

Zens a aussi testé le positionnement de l’aileron arrière millimètre par millimètre dans la soufflerie pour déterminer la meilleure option. Un autre exemple lui tient à cœur : le rebord intégré au bloc de feux arrière. « L’arrière en trois dimensions de l’Audi RS e-tron GT comporte justement de nombreuses turbulences. Diriger l’écoulement précisément autour constitue un véritable défi. La simulation nous a permis de constater qu’il y avait un potentiel d’amélioration au niveau du bloc de feux arrière. »

Heureusement, César Muntada, responsable de la conception éclairage chez Audi, était présent lors de cette mesure en soufflerie. Il a rapidement modélisé sur le modèle en argile un léger pli extérieur avec un retour dans le bloc de feux arrière, qui est à présent monté sur les véhicules de série. Cette modification a permis aux concepteurs et spécialistes en aérodynamique d’interrompre de manière définie l’écoulement d’air à l’arrière, au lieu de le faire glisser vers l’intérieur en créant des turbulences (ce qui dégraderait considérablement le coefficient de traînée). « L’aérodynamique vise à faciliter le design », explique Kentaro Zens pour décrire cette collaboration. Et cela nécessite également un méticuleux travail de détective dans la soufflerie.

Profil latéral de l’aileron arrière d’une Audi RS e-tron GT, pendant qu’un canon à fumée montre l’écoulement d’air au-dessus.Profil latéral de l’aileron arrière d’une Audi RS e-tron GT, pendant qu’un canon à fumée montre l’écoulement d’air au-dessus.
 Gros plan de la turbine à rotor de la soufflerie aéroacoustique Audi. Gros plan de la turbine à rotor de la soufflerie aéroacoustique Audi.
 
Profil latéral de l'Audi RS e-tron GT.

Une idée devenue réalité

L’Audi RS e-tron GT allie des performances et un design impressionnants à une conception porteuse d’avenir.

Modèle européen montré. Les spécifications peuvent varier.

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