vignette|Arrivée de G. Vinet au Paris-Amsterdam-Paris de 1898, sur l'Amédée Bollet fils « Torpilleur Type B » à la carrosserie en aluminium, première voiture née d'une étude aérodynamique. vignette|Test aérodynamique en soufflerie d'une Ford Flex à l'aide d'un gaz opaque. L’aérodynamique automobile est l'étude des phénomènes aérodynamiques induits par l'écoulement de l'air autour d'un véhicule automobile en mouvement. La connaissance de ces phénomènes permet, entre autres, de réduire la consommation des véhicules en diminuant leur traînée, d'améliorer leur comportement routier en influant sur leur portance (ou leur déportance) et de diminuer les phénomènes aéroacoustiques ainsi que les turbulences à haute vitesse.
Prise en compte très tôt dans l'histoire de l'automobile, par exemple dans La Jamais contente profilée comme une torpille, l'aérodynamique automobile a pris de l'ampleur dans les années 1930. C'est en effet en 1934 aux États-Unis que la Chrysler Airflow, première automobile de série dessinée en respectant un profil aérodynamique, voit le jour. Par la suite, les automobiles n'ont cessé de s'améliorer, notamment après l'apparition des dont le championnat suscite encore aujourd'hui beaucoup d'effervescence dans ce domaine.
L'aérodynamique étant intrinsèquement liée à la mécanique des fluides, les essais en soufflerie sont aujourd'hui devenus indispensables aux constructeurs automobiles. Par ailleurs, en raison des phénomènes complexes mis en jeu en aérodynamique, ces derniers — et plus particulièrement les écuries de courses — ont également recours au calcul numérique (ou CFD pour « ») pour résoudre leurs problèmes.
Prérequis : grandeurs aérodynamiques Traînée aérodynamique ou résistance aérodynamique à l'avancement
En mécanique des fluides, la traînée aérodynamique est la force qui s'oppose au mouvement d'un corps dans un fluide, soit, en automobile, la force qui s'oppose à l'avancement du véhicule dans l'air. Il est donc dans l'intérêt des constructeurs de diminuer la traînée aérodynamique, force à l'origine d'une augmentation de la consommation en carburant et d'une dégradation de la vitesse de pointe en ligne, ceci bien qu'une autre traînée, la traînée de roulement, s'oppose également à l'avancement du véhicule sur la chausséeCette traînée de roulement est même prépondérante aux faibles vitesses (en ville, par exemple)..
Cette traînée aérodynamique s'exprime par la formuleJean-Pierre Brossard, Dynamique du véhicule : Modélisation des systèmes complexes, . :
où : , masse volumique de l'air (en ) ; , vitesse du véhicule par rapport à l'air (en ) ; , maître-couple (en ) ; , le coefficient de traînée aérodynamique (sans unité).
Cette expression met en avant un paramètre essentiel à la détermination de la traînée aérodynamique : le coefficient de traînée aérodynamique Dans la littérature anglo-saxonne, le coefficient est désigné par « Cd », pour .. Ce coefficient est le rapport de la traînée aérodynamique d'un objet à celle d'un objet de même surface de référence se déplaçant à la même vitesse dans le même fluide et qui aurait un coefficient de traînée aérodynamique de 1. Ce nombre adimensionnel caractérise ainsi la qualité du « profilage aérodynamique » d'un objet vis-à-vis de sa résistance à l'avancement dans l'air selon l'axe longitudinal du véhicule.
vignette|redresse|La pression à l'avant d'une éco-mobile (en rouge) est source de traînée aérodynamique, même si cette traînée est paradoxalement compensée presque intégralement par les dépressions sur le reste de l'avant-corps.
La valeur du maître-couple S — surface frontale maximale du véhicule — peut être obtenue par calcul sur plan ou estimée par exemple, par la formule dite de Paul Frère :
où est la hauteur du véhicule au-dessus de la chaussée, sa largeur (sans rétroviseurs), un coefficient de remplissage égal à environ 0,85...
Hucho, quant à lui, citant Flegl et Bez, donne un coefficient de remplissage moyen (ou facteur de forme) de 0,81, établi d'après européennes. Ce facteur de forme permet de calculer la surface frontale d'un véhicule (européen) par la règle d'ingénieur : , où : est la hauteur du véhicule au-dessus de la chaussée ; sa largeur (sans rétroviseurs).
En ce qui concerne les véhicules particuliers, le maître-couple varie entre ..
La principale traînée aérodynamique, de l'ordre des deux tiers de la traînée aérodynamique totale, est la traînée de forme (ou de profil). Elle est due à deux phénomènes physiques : d'une part le jeu de pressions sur l'avant-corps du véhicule (surpressions et dépressions), qui résulte en une traînée d'avant-corps assez faible, et d'autre part la dépression laissée après le passage du véhicule, qui produit une traînée dite « de culot », cette dernière représentant une part importante de la traînée totale (voir plus bas)..
Les autres traînées aérodynamiques viennent des turbulences liées aux décollements de l'écoulement, des tourbillons ou vortex liés à la « traînée induite » par la portance, de la « traînée interne » due au refroidissement du moteur, de la circulation d'air dans l'habitacle, de la traînée de frottement (nommée encore « traînée de friction ») due à la viscosité de l'air.
Importance du coefficient de traînée aérodynamique et de la surface frontale sur la consommation vignette|gauche|Croisement des traînées aérodynamique et de roulement.
En utilisation routière, une grande partie de l'énergie consommée par une automobile est utilisée pour vaincre la résistance aérodynamique à l'avancement. À grande vitesse, cette résistance aérodynamique (ou traînée aérodynamique) est prépondérante par rapport à la résistance au roulement, étant donné que sa valeur évolue comme le carré de la vitesse (figure ci-contre).
Pour diminuer la résistance aérodynamique d'une automobile, les constructeurs peuvent agir sur deux paramètres : le Cx et le maître-couple S. L'évolution à la hausse des standards en matière de confort et d'habitabilité étant incompatibles avec une réduction du maître-couple, c'est essentiellement le Cx qui peut évoluer. En diminuant de 15 % un Cx initialement à 0,40, un véhicule roulant à économise un litre de carburant aux ..
La densité de l'air est prise égale à à .
Le tableau ci-dessous
+ Traînée aérodynamique d'un SUV (en ) Surface frontale = Cx = 0,38 118,8 232,8 384,8 574,8 802,8 Cx = 0,30 93,8 183,8 303,8 453,8 633,8
Le tableau ci-dessous récapitule la traînée aérodynamique d'une citadine à moteur Diesel de surface frontale de en fonction de sa vitesse, pour deux Cx de 0,3 et 0,38.
+ Traînée aérodynamique d'une citadine (en N) Surface frontale = Cx = 0,38 76,5 150,0 248,0 370,4 517,3 Cx = 0,30 60,4 118,4 195,8 292,4 408,4
L'unité étant l’équivalent d'une force de , les tableaux peuvent être écrits :
+ Perte énergétique d'origine aérodynamique d'un SUV (en ) Surface frontale = Cx = 0,38 3,3 6,5 10,7 16,0 22,3 Cx = 0,30 2,6 5,1 8,4 12,6 17,6
ainsi que :
+ Perte énergétique d'origine aérodynamique d'une citadine (en ) Surface frontale = Cx = 0,38 2,1 4,2 6,9 10,3 14,4 Cx = 0,30 1,7 3,3 5,4 8,1 11,3
Un litre d'essence représentant environ Voir notes sur la consommation des véhicules électriques., le tableau devient :
+ Perte énergétique d'origine aérodynamique d'un SUV (en ) Surface frontale = Cx = 0,38 0,33 0,65 1,07 1,60 2,23 Cx= 0,30 0,26 0,51 0,84 1,26 1,76
ainsi que :
+ Perte énergétique d'origine aérodynamique d'une citadine (en ) Surface frontale = Cx = 0,38 0,21 0,42 0,69 1,03 1,44 Cx = 0,30 0,17 0,33 0,54 0,81 1,13
vignette|redresse|Efficacité énergétique des voitures thermiques en ville et sur autoroute, cité et illustré dans : ..
Il reste à tenir compte de l'efficacité globale du véhicule, illustrée par le schéma ci-contre. Elle vaut de 13 à 20 % pour les véhicules thermiques et autour de 50 % pour les véhicules électriques (en tenant compte du chauffage, de la climatisation et des pertes du réseau électrique., mais en omettant le rendement de production de l'électricité — voir Voiture électrique et Énergie grise).
Remarque Les calculs sont effectués pour une vitesse constante. Dans le cas d'une rampe de vitesse linéaire en fonction du temps, telles que celles présentes dans les cycles normalisés NEDC par exemple, il reste néanmoins possible de déterminer une traînée aérodynamique moyenne. Pour une rampe de vitesse linéaire entre les vitesses et , la traînée aérodynamique moyenne vaut ainsi :
Estimation du gain en consommation dû aux gains en Cx vignette|redresse|Vitesse à laquelle la traînée aérodynamique égale celle de roulement (vitesse stabilisée, en palier) En palier (et à vitesse stabilisée), on peut écrire que la force propulsive vaut.
équation où est la masse du véhicule, l'accélération de la pesanteur, le coefficient de résistance au roulement, la masse volumique de l'air, la vitesse du véhicule par rapport à cet air, la surface de référence du Cx et Cx le Cx frontal du véhicule.
Lorsque (toujours en palier et à vitesse stabilisée) la traînée de roulement est égale à la traînée aérodynamique , on peut écrire :
De cette égalité est tirée la valeur de qui égalise traînée de roulement et traînée aérodynamique, puis on trace le graphe ci-contre dessinant cette vitesse d'égalité en fonction du et pour différentes valeur du produit ( étant la masse du véhicule en kg et son coefficient de résistance au roulement, celui-ci s'abaissant jusqu'à 0,006 pour les meilleurs trains de pneumatiques).
On tire de la première équation que la variation relative de vaut :
Lorsque l'on donne à sa valeur 9,81, à sa valeur , et que l'on convertit les km/h en m/s, on trouve que pour une vitesse stabilisée V en palier de :
Cette variation relative de la force propulsive est liée à une variation relative de la consommation. Une variation de la force propulsive produit bien une variation (dans le même sens) de la consommation : la consommation en litres par est en effet, en première approche et à un coefficient k près, liée au rendement du moteur, proportionnelle à la force propulsiveLa consommation de carburant pour représente l'énergie dépensée pour parcourir cette distance. Or l'énergie dépensée en traînée pour parcourir ces en palier et à vitesse stabilisée est de ..
Cependant une partie de l'énergie dépensée par le véhicule n'est pas liée à la distance parcourue ni à la force propulsive, c'est la partie de l'énergie dépensée pour mettre en action les accessoires (climatisation, éclairage, assistance de la direction). Sovran et Blasere. estiment cette énergie (ou cette consommation) à 6 % de l'énergie totale dépensée par le véhicule sur une autoroute urbaine ( des États-Unis). Si l'on adopte cette estimation pour les trajets sur les autoroutes européennes (toujours à vitesse constante et en palier), on peut donc écrire :
étant la variation de consommation consécutive à une variation de l'aérodynamique du véhicule et étant la consommation en litres aux du véhicule puisque la force de traînée totale (traînée de roulement + traînée aérodynamique) ne coûte que 94 % de la consommation.
On a donc :
Ceci nous permet d'écrire, en reprenant la valeur de calculée plus haut :
Le coefficient qui précède et appelé coefficient d'influence de l'aérodynamique sur la consommation :
vignette|Vitesse d'égalité des traînées de roulement et aérodynamique et coefficient d'influence de l'aérodynamique sur la consommation
Les courbes vertes du graphe ci-contre dessinent l'évolution de ce coefficient d'influence de l'aérodynamique sur la consommation en fonction du (pour de surface frontale de référence) et en fonction du produit de la masse du véhicule (en kg) par son coefficient de roulement (typiquement 0,006 pour les meilleurs trains de pneumatiques).
À titre d'exemple, pour une berline de masse , de coefficient de roulement , de et de surface frontale , en palier et à la vitesse de stabilisée : une modification relative de n % de procure donc une modification relative de 0,837 n % de la consommation.