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À la recherche de la perfection dans la soufflerie Audi

Dans la soufflerie aéroacoustique Audi, les experts en aérodynamique optimisent les lignes de l'Audi RS e-tron GT jusqu'à atteindre la perfection.

03.05.2021 Texte : Bernd Zerelles − Photos : Robert Fischer − Film : graupause Temps de lecture : 9 min.

Audi RS e-tron GT: Consommation énergie mixte*: 20,2–19,3 kWh/100km (NEDC); 22,5–20,6 kWh/100km (WLTP)Émissions de CO₂ mixtes*: 0 g/km

Audi RS e-tron GT: Consommation énergie mixte*: 20,2–19,3 kWh/100km (NEDC); 22,5–20,6 kWh/100km (WLTP)Émissions de CO₂ mixtes*: 0 g/km

Gros plan d'une turbine à rotor dans la soufflerie aéroacoustique Audi.

La première chose que l'on remarque en regardant le ventilateur de la soufflerie aéroacoustique Audi, c'est l'écart entre chacune des extrémités des 20 pales du rotor et l'entourage en béton. Plusieurs centimètres qui intriguent. Moni Islam, responsable du développement de l'aérodynamique et de l'aéroacoustique chez Audi, explique la vocation de cet écart : « Lorsque la turbine fonctionne à la puissance maximale de 2 720 kW, la force centrifuge étire les pales revêtues d'aluminium, comblant presque complètement cet écart. En effet, nous reproduisons ici la même force qu'un vent allant jusqu'à 300 km/h sur le véhicule d'essai. »

Tout le monde doit maintenant évacuer la soufflerie. Les 20 pales du ventilateur de cinq mètres de large commencent lentement à tourner. L’écoulement d'air en rotation est d'abord stabilisé par les 27 aubes directrices du stator situé à l'arrière. Suivent deux angles où l'air est distribué uniformément par des aubes tournantes spécialement conçues. Des grilles situées sous le vent des aubes dissipent les turbulences les plus fortes, à proximité des angles 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 à travers la buse selon un facteur de 5,5, avant d'atteindre l'Audi RS e-tron GT dans le plenum - la chambre principale - exactement à la vitesse souhaitée.

Audi RS e-tron GT: Consommation énergie mixte*: 20,2–19,3 kWh/100km (NEDC); 22,5–20,6 kWh/100km (WLTP)Émissions de CO₂ mixtes*: 0 g/km

Audi RS e-tron GT: Consommation énergie mixte*: 20,2–19,3 kWh/100km (NEDC); 22,5–20,6 kWh/100km (WLTP)Émissions de CO₂ mixtes*: 0 g/km

Vue latérale de l'Audi RS e-tron GT dans la soufflerie.

L'Audi RS e-tron GT se trouve sur une balance de précision qui mesure les forces aérodynamiques exercées sur elle. Les roues sont placées sur quatre mini-tapis roulants leur permettant de tourner  à la vitesse du vent. Sous le véhicule, un autre large tapis roulant simule le mouvement de la chaussée à différentes vitesses de conduite. De plus, une partie de l'écoulement d'air, appelée couche limite, est aspirée par des plaques perforées réglables, situées devant le véhicule avant qu'il n'atteigne ce dernier. Les ingénieurs en aérodynamique appellent cette structure, qui garantit un écoulement d'air réaliste autour du véhicule, « simulation complète de terrain ».

 

Une fois que l'air est passé sur l'Audi RS e-tron GT, l’air est aspiré en dehors de la chambre par le collecteur situé à l'arrière, puis renvoyé dans le circuit de la soufflerie, et vers la turbine. Ainsi s'achève le cycle de l'air à travers la soufflerie aéroacoustique Audi. Ce processus est extrêmement précis et millimétré afin de reproduire les conditions réelles sur route.

Audi RS e-tron GT: Consommation énergie mixte*: 20,2–19,3 kWh/100km (NEDC); 22,5–20,6 kWh/100km (WLTP)Émissions de CO₂ mixtes*: 0 g/km

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Un procédé de pointe pour obtenir un flux d'air parfait

Dr. Kentaro Zens, responsable du développement aérodynamique et aéroacoustique de l'Audi RS e-tron GT, précise : « Sur la route, le véhicule fend l'air. Ici, dans la soufflerie, c'est tout le contraire : le véhicule est à l'arrêt et nous déplaçons l'air le plus uniformément possible autour de lui. Nous utilisons un procédé très élaboré pour obtenir un écoulement d'air parfait. L'exactitude et la fiabilité des résultats de mesure dépendent uniquement de la précision avec laquelle l'écoulement d'air atteint le véhicule. »

 

Kentaro Zens est assis à son poste de travail, à côté du pupitre de commande sur lequel les opérateurs contrôlent la soufflerie. Il peut consulter toutes les données pertinentes sur les écrans : quel est le coefficient de traînée cx, quelle est la portance de l'essieu avant et 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 un événement ! Elle était la première soufflerie pour les véhicules de série au monde à combiner la simulation au sol des conditions réelles sur route pour l'aérodynamique, avec une fonctionnalité aéroacoustique aussi silencieuse. »

 

Aujourd'hui, la soufflerie fonctionne six jours par semaine avec deux équipes qui se relèvent de 7 h à 22 h 30. Lorsque la loi a introduit l'homologation conformément à la procédure WLTP, la soufflerie a fonctionné à pleine charge. Moni Islam raconte : « Cette soufflerie est extrêmement complexe. Tous les jours depuis de nombreuses années, nous pouvons compter sur l'engagement total et l'expertise technique du service qui exploite la soufflerie. Nos collègues nous ont permis de procéder à 23 heures de temps de mesure par jour, car nous devons prouver au législateur les valeurs WLTP avec les mesures certifiées de la soufflerie. »

Audi RS e-tron GT: Consommation énergie mixte*: 20,2–19,3 kWh/100km (NEDC); 22,5–20,6 kWh/100km (WLTP)Émissions de CO₂ mixtes*: 0 g/km

Audi RS e-tron GT: Consommation énergie mixte*: 20,2–19,3 kWh/100km (NEDC); 22,5–20,6 kWh/100km (WLTP)Émissions de CO₂ mixtes*: 0 g/km

Chaque millième d'amélioration du coefficient de traînée cx augmente le potentiel d'autonomie.

Moni Islam

Moni Islam est le responsable du développement de l’aérodynamique et de l’aéroacoustique chez Audi, ici dans l'installation de contrôle actif du bruit de la soufflerie.
Moni Islam est le responsable du développement de l’aérodynamique et de l’aéroacoustique chez Audi. Il explique ici le fonctionnement de l'installation de contrôle actif du bruit de la soufflerie.

La simulation informatique : un outil complémentaire à la soufflerie

Les simulations informatiques jouent également un rôle de plus en plus important dans le développement aérodynamique. La simulation CFD (Computational Fluid Dynamics, mécanique de fluides numérique) est une simulation qui s'appuie sur des calculs de l'écoulement d'air. Elle permet d'analyser et de visualiser les modèles d'écoulement d'air. Pourquoi maintenir le travail complexe et coûteux de la soufflerie ? Thomas Redenbach précise : « La soufflerie est notre outil quotidien, il nous permet également de valider les résultats de la simulation. Nous voulons continuer à développer les simulations et, pour que celles-ci soient valides et fidèles à la réalité, nous devons vérifier les calculs en soufflerie. »

 

Toutefois, les simulations informatiques s'améliorent et deviennent de plus en plus importantes. Kentaro Zens : « Pour l'Audi RS e-tron GT, nous avons simulé un nombre d'heures particulièrement élevé : plus de neuf millions d'heures de calcul. Alors que j’ai passé seulement 150 heures dans le véhicule à l'intérieur de la soufflerie. C'est très peu. À titre de comparaison : pour l'Audi R8, j'y ai passé 600 heures. » Cette répartition entre heures simulées et heures en soufflerie démontre la qualité du design de l'Audi RS e-tron GT. Elle témoigne aussi du fait 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 utilisés par les experts en 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. »

Audi RS e-tron GT: Consommation énergie mixte*: 20,2–19,3 kWh/100km (NEDC); 22,5–20,6 kWh/100km (WLTP)Émissions de CO₂ mixtes*: 0 g/km

Audi RS e-tron GT: Consommation énergie mixte*: 20,2–19,3 kWh/100km (NEDC); 22,5–20,6 kWh/100km (WLTP)Émissions de CO₂ mixtes*: 0 g/km

Nous passons énormément de temps pour les derniers 20% du processus de l'aérodynamique.

Thomas Redenbach

Un potentiel important pour l’autonomie des modèles électriques

Les véhicules électriques tels que l'Audi RS e-tron GT présentent de nombreux avantages en matière d'aérodynamisme, comme par exemple, le châssis fermé. Toutefois, les défis auxquels sont confrontés les 31 collaborateurs du service de développement aérodynamique dirigé par Moni Islam sont de plus en plus nombreux. « Chaque millième d'amélioration du coefficient de traînée cx nous permet d'augmenter le potentiel d'autonomie de nos véhicules électriques », explique Moni Islam.

 

Les experts en aérodynamique détectent le potentiel du véhicule grâce aux résultats de simulation qui révèlent les sensibilités. Ils s'interrogent. Si on modifie légèrement la géométrie au point X de la forme, dans quelle mesure cela affectera-t-il l'écoulement d'air ? Et c'est alors que commence ce que Moni Islam décrit ainsi : « L'aérodynamique est un minutieux travail de détective, car on ne voit pas l'air. On doit 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 complémentaires dans le cadre d'un processus 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 du pare-chocs avant. Ensuite, à l'aide de cette technologie de pointe, les collaborateurs de la gestion des modèles convertissent les variantes souhaitées (qui peuvent être au nombre de trois, quatre ou cinq) en un composant de test. Les différentes variantes des composants sont ensuite successivement testées sur le modèle du véhicule. Les mesures reflètent le coefficient de traînée cx et la portance. Ces résultats sont comparés aux simulations CFD avec une configuration exactement identique afin de garantir la reproductibilité des résultats de simulation.

Audi RS e-tron GT: Consommation énergie mixte*: 20,2–19,3 kWh/100km (NEDC); 22,5–20,6 kWh/100km (WLTP)Émissions de CO₂ mixtes*: 0 g/km

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Un travail colossal de détective derrière chaque millième gagné

« On peut développer 80% de l'aérodynamique d'un véhicule en 20% du temps. Mais nous passons énormément de temps pour les derniers 20% de l'aérodynamique. Nous éliminons les millièmes à travers une multitude de petites optimisations », explique Thomas Redenbach, qui décrit le travail de fourmi 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 obtenir des résultats optimaux. »

 

Quel a donc été le détail le plus difficile en matière d'écoulement de l'air dans l'Audi RS e-tron GT, d'après les experts en aérodynamique responsables de ce Gran Turismo ? Kentaro Zens réfléchit un moment. « A mon sens, il s'agit du becquet avant avec ses quatre composants interconnectés. L'air entre dans les prises d'air, le volet intérieur se ferme et c'est là que les problèmes commencent. L'air s'écoule partout et ce n'est pas ce que nous voulons. Il est essentiel de contrôler l’écoulement d’air et de l'ajuster avec précision. C'est un énorme travail d'équipe, qui demande les efforts conjoints et coordonnés de nos collègues de la sécurité des véhicules, de la conception, de la production et de l'assemblage. »

 

Kentaro Zens attire également l'attention sur la conception des entrées d'air, en interaction avec le passage de roue : « Nous avons travaillé en étroite collaboration avec les designers d'Audi sur une base hebdomadaire. Cela a permis d'obtenir une transition aérodynamique optimale de l'avant vers le côté, autour des entrées d'air, qui s'intègre aussi parfaitement dans le design global. Le moindre élément de l'Audi RS e-tron GT a une fonction et un but. Ce modèle a un caractère fonctionnel authentique qui me plaît énormément. »

Audi RS e-tron GT: Consommation énergie mixte*: 20,2–19,3 kWh/100km (NEDC); 22,5–20,6 kWh/100km (WLTP)Émissions de CO₂ mixtes*: 0 g/km

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De la fumée passe par l’entrée d'air pour atteindre le passage de roue de l'Audi RS e-tron GT.
Le canon à fumée peut être utilisé pour rendre l'écoulement d'air visible. Dans le cas présent, il montre le parcours optimal de l'air à travers l’entrée d’air jusqu'au passage de roue.
Le but de l'aérodynamique est de faciliter la conception.

Kentaro Zens

La position du becquet arrière a également été testée par Kentaro Zens millimètre par millimètre dans la soufflerie, afin d'en déterminer les positions optimales. Un autre exemple qui lui tient à cœur est le rebord intégré au bloc de feux arrière. « L'arrière en trois dimensions de l'Audi RS e-tron GT comporte de nombreux systèmes tourbillonnaires. Diriger l'écoulement d’air précisément autour des surfaces fortement incurvées 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 du design d'éclairage chez Audi, était présent lors de cette mesure en soufflerie. Il a rapidement modelé sur le modèle en argile une légère courbe vers l’extérieur dans le bloc de feux arrière, qu'on retrouve désormais sur les véhicules produits. Cette modification a permis aux concepteurs et aux aérodynamiciens de faire en sorte que l’écoulement d'air se brise à l'arrière de manière contrôlée, au lieu de se tourner vers l'intérieur et de créer des turbulences (ce qui aurait un impact significatif sur le coefficient de traînée cx). « Le but de l'aérodynamique est de faciliter la conception », explique Kentaro Zens pour décrire cette collaboration. Et cela implique également un travail de particulièrement méticuleux dans la soufflerie.

Audi RS e-tron GT: Consommation énergie mixte*: 20,2–19,3 kWh/100km (NEDC); 22,5–20,6 kWh/100km (WLTP)Émissions de CO₂ mixtes*: 0 g/km

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L'Audi RS e-tron GT dans un studio photo.

Imagination realized

L'Audi RS e-tron GT associe d'impressionnantes performances à un design innovant.

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