Le fabricant utilise Simcenter STAR-CCM+ pour concevoir des voitures distinctives à faible traînée et a remporté la série Super GT 2014

"Un outil indispensable"

Malgré trois décennies d'excellence sur les circuits, Nissan Motorsports International (NISMO) est toujours à la recherche de moyens de courir plus vite. Elle a récemment utilisé les capacités uniques de la mécanique des fluides numérique (CFD) pour aider les ingénieurs aérodynamiciens de l'entreprise à améliorer leurs packages aérodynamiques pendant le processus de développement. Yoshitaka Yamamoto, aérodynamicien en chef de la division de développement des voitures de Grand Tourisme (GT) NISMO GT-R, estime que "la CFD est un outil indispensable dans le développement visant à apporter de la visibilité à la dimension invisible de l'écoulement".

Série Super GT

Le SUPER GT, une course sanctionnée par la Fédération internationale de l'automobile (FIA), dispose de règlements connus sous le nom de GT500 pour la classe reine du championnat et de GT300 pour la catégorie privée (participants sans soutien du constructeur). La catégorie GT500 se compose principalement de véhicules développés et fabriqués par les trois grands constructeurs automobiles japonais, Nissan, Toyota et Honda, et leurs sociétés affiliées. La catégorie GT300 est principalement réservée aux amateurs, la majorité des équipes participantes étant composées de pilotes indépendants.

Dans la course, les véhicules de ces catégories s'affrontent sur le même parcours. Les différences de vitesse se traduisent par des conditions de course toujours plus complexes et passionnantes. Les voitures se livrent une concurrence féroce pour se devancer les unes les autres alors qu'elles rugissent sur le circuit, créant un spectacle fascinant. L'équipe NISMO développe et produit des véhicules pour ces deux catégories. Le véhicule de la classe GT500, sur lequel la société a misé sa réputation, est basé sur la GT-R.

En 2013, la réglementation GT s'est alignée sur celle de la série allemande Touring Car Masters (DTM), ce qui a entraîné de nouveaux changements mécaniques et aérodynamiques pour la Nissan GT-R NISMO GT500 2014. C'est le logiciel Simcenter™ STAR-CCM+™ de Siemens Digital Industries Software, spécialiste de la gestion du cycle de vie des produits (PLM), qui a été utilisé pour la développer.

Dans le développement de voitures de course, l'approche traditionnelle consiste à effectuer des tests en soufflerie sur des modèles réduits et à les visualiser avec des mesures de pression à des points spécifiés, de la fumée, des fils de laine, de la vélocimétrie par image de particules (PIV) et d'autres méthodes.

Cependant, avec ces méthodes, il est presque impossible de visualiser l'ensemble du domaine de l'écoulement aérodynamique. D'autre part, les progrès récents en matière de logiciels, de matériel et de capacités informatiques CFD ont permis aux ingénieurs de simuler une voiture de course complète dans un modèle CFD très détaillé à partir de zéro, et d'obtenir un aperçu plus approfondi de leurs conceptions, ce qui ne serait pas viable par d'autres moyens. L'utilisation de Simcenter STAR-CCM+ aide considérablement à comprendre les phénomènes impliqués dans les écoulements de fluides, permettant un affichage et une analyse précis des informations avec un niveau de détail difficile à fournir expérimentalement. Cela permet aux ingénieurs de tester virtuellement la voiture avant toute séance en soufflerie, afin de pré-évaluer diverses configurations et scénarios hypothétiques, et de ne tester que les solutions les plus prometteuses. Cela fait de Simcenter STAR-CCM+ un outil largement reconnu pour la conception et le développement de voitures de course, complétant ainsi les tests en soufflerie. Compte tenu de la croissance rapide des ressources informatiques, de l'évolution de la science derrière la CFD et des performances des ordinateurs, la CFD pourrait se présenter à l'avenir comme une soufflerie numérique capable de remplacer les tests physiques.

M. Yamamoto explique les apports de Simcenter STAR-CCM+ et les avantages qu'offre cette méthode par rapport aux tests en soufflerie dans le développement aérodynamique : "Lors de la fixation de petites pièces sur la voiture, par exemple, les tests en soufflerie ne suffisent pas à déterminer l'impact de celles-ci sur l'arrière, en particulier là où les effets se produisent, et si l'appui aérodynamique a été obtenu ou non. Cependant, l'utilisation de Simcenter STAR-CCM+ offre des informations précieuses sur le comportement de l'écoulement. Les voitures GT deviennent de plus en plus complexes chaque année. Le nombre de dispositifs complexes est également en augmentation, ce qui rend de plus en plus difficile d'effectuer ce travail en se basant uniquement sur l'expérience. C'est là que Simcenter STAR-CCM+ devient essentiel."

La CFD inspire NISMO

Chaque ingénieur aérodynamique dans le développement de voitures de course a deux préoccupations majeures : la création d'une force d'appui pour aider à pousser les pneus de la voiture sur la piste et l'empêcher de glisser dans les virages en raison des forces centrifuges, et minimiser la traînée causée par les turbulences ralentissant le véhicule. Plus la conduite est puissante et rapide, plus l'air à basse pression (vitesse plus élevée) s'engouffre sous la voiture, et plus l'appui aérodynamique se crée.

D'autre part, une augmentation de la vitesse s'accompagne d'une augmentation de la traînée, ce qui n'est pas souhaitable. Normalement, la configuration idéale est de générer le maximum d'appui aérodynamique pour la plus petite quantité de traînée. Cependant, la décision de créer un package aérodynamique équilibré ou orienté vers l'une de ces deux forces dépend grandement de la piste et des conditions. Une piste avec des virages serrés nécessite une voiture avec une configuration d'appui plus élevée pour naviguer dans les virages. Mais sur les pistes avec une longue ligne droite et des virages larges et relevés comme les autodromes, moins d'appui aérodynamique est nécessaire.

Une vitesse plus élevée peut être négociée, et donc la réduction de la traînée est d'une plus grande importance. Chez NISMO en 2011, M. Yamamoto a commencé à développer un package aérodynamique avec des spécifications à faible traînée qui amélioraient la vitesse élevée, alors qu'avant cette année, toutes les améliorations étaient effectuées pour augmenter l'appui tout en maintenant le niveau de traînée. L'une des initiatives à l'origine de la sélection de la spécification à faible traînée a été de préparer un package aérodynamique spécialement conçu pour le Fuji Speedway en 2012. En raison de sa longue ligne droite, le temps au tour pouvait être considérablement réduit en diminuant la traînée.

Selon les spécifications de 2013 en matière de faible traînée, l'aile avant a été configurée selon les lignes d'un mur escarpé (schéma 1). Il en est résulté une face avant extrêmement distinctive pour les véhicules. L'équipe de M. Yamamoto a effectué une première simulation CFD à l'aide de Simcenter STAR-CCM+ pour trouver les zones potentielles de réduction de la traînée, et elle a découvert que la pression sur la section de l'aile était plus faible par rapport à la conception précédente de 2012 (schéma 2). M. Yamamoto nous explique : "À la suite de l'analyse CFD, nous avons réalisé que l'aile avant est une zone efficace pour réduire la traînée. En vertu de la réglementation, le seul moyen d'agrandir cette zone était de l'élargir verticalement. Lorsque nous avons tenté cela, les résultats ont été favorables, comme prévu."

Avant cela, ils avaient tenté d'éliminer la traînée en arrondissant les configurations, mais avec l'aide de la CFD, l'équipe NISMO a compris qu'il était possible de réduire cette traînée sans rationaliser la forme de cette manière. Elle a présenté cette soi-disant approche sous le nom de "modulation d'exploitation aérodynamique" dans son modèle de 2014. Il s'agit d'augmenter les performances grâce à l'utilisation habile des différences de pression, ce qui ne peut être réalisé qu'avec la CFD.

M. Yamamoto souligne l'impact de la CFD dans leur nouvelle réalisation : "Les mesures peuvent également être effectuées en soufflerie, mais la visualisation qui devient nécessaire est difficile à réaliser sur l'ensemble du véhicule. La CFD est un outil efficace pour voir le corps dans son ensemble."

Bien que la CFD ait conduit l'équipe de M. Yamamoto à une meilleure conception en offrant un aperçu précieux de l'ensemble du continuum de conception, elle a été utilisée jusqu'à présent comme supplément, plutôt que comme un remplacement du travail en soufflerie. Il poursuit : "L'un des domaines pouvant encore être amélioré réside dans l'évaluation des portions portant le sillage des pièces à l'avant. À titre d'exemple, je considère toujours que les évaluations du sillage des pneus posent un défi de taille. En plus du sillage, nous n'avons pas non plus réussi à obtenir des résultats satisfaisants à 100 % avec le diffuseur arrière et d'autres gradients de pression inversés. Si nous y parvenons, je suis convaincu que le moment viendra où nous n'aurons plus besoin de souffleries."

Application des technologies développées dans les sports automobiles

Le travail de développement des véhicules GT500 consiste à mettre en commun l'essence de différentes technologies. NISMO canalise le savoir-faire cultivé à travers le sport automobile dans le développement de voitures commercialisées comme la GT-R NISMO, le JUKE NISMO et d'autres véhicules haute performance Nissan en tant que marque de performance autoproclamée du constructeur.

"Avec des modèles axés sur le sport portant le nom de "NISMO", nous intégrons notre expertise en matière de voitures de course dans le travail de développement. Le principal argument de vente de ces véhicules est la haute performance", déclare M. Yamamoto. "Toute voiture portant le nom NISMO est soutenue par le développement de l'aérodynamique par les ingénieurs NISMO, ce qui signifie que je suis également personnellement impliqué dans le processus."

En 2014, la réglementation des véhicules SUPER GT a été alignée sur celle des Touring Car Masters allemands, et de vastes révisions ont été effectuées. Pour cette raison, il est devenu nécessaire de coordonner les travaux de développement avec chacune des nouvelles réglementations.

"Parce que 2014 a nécessité la toute première utilisation de réglementations intégrées au DTM, nous ne pouvions pas dire laquelle des différentes règles présentait des avantages ou des inconvénients pour les voitures GT", continue M. Yamamoto. "Nous avons aujourd'hui réglé de façon générale les détails à cet égard. Par exemple, nous comprenons que le savoir-faire pour la face supérieure de l'extérieur est généralement uniforme, ce qui signifie qu'il n'y avait en fait aucune différence liée aux réglementations modifiées."

L'aube directrice de l'aile arrière fait une brève apparition

Le règlement de la deuxième course de Fuji en 2012 stipulait que les ingénieurs étaient libres de modifier le design de l'aile arrière. À partir de ce moment-là, c'est devenu une mesure standard pour toutes les courses de Formule 1 (F1). À la suite du changement de règle, NISMO a fixé des aubes directrices dont la section transversale ailée était montée sur l'aile arrière (schéma 5). Selon M. Yamamoto, l'objectif principal était de créer une apparence extérieure accrocheuse qui pourrait être présentée dans la série de Formule 1 (F1).

En plus de son apparence distinctive, cela a également contribué positivement aux performances de l'aileron arrière. Comme on peut le voir sur le schéma 5 (au-dessus), les résultats de la CFD ont montré que l'écoulement d'air brassé par l'extension de l'aile avant a atténué la rupture au niveau de l'aile arrière et de la surface supérieure du capot du coffre. Comme le montre la figure 5 (au-dessous), l'ajout de l'aube directrice de l'aile arrière a modifié le schéma d'écoulement et amélioré la fixation de l'écoulement vers le capot du coffre. Cela a finalement permis de réduire la traînée et d'améliorer l'efficacité de l'aileron arrière.

Mais il est remarquable que le profil de section transversale ailée renversé de l'aube directrice ait généré de la portance à des endroits spécifiques près de l'avant, de l'arrière et du centre du véhicule. Par conséquent, les aubes directrices n'ont pas amélioré l'appui aérodynamique. Mais l'équipe aérodynamique a approuvé leur ajout car il réduisait la traînée et améliorait donc les performances globales de l'aile arrière. Cependant, les autorités dirigeantes telles que la Grand Touring Association (GTA) avaient une interprétation différente des nouvelles aubes directrices. Bien que les règles ne stipulaient qu'un seul aileron, la GTA considérait l'aube directrice de l'aile arrière comme un deuxième aileron. Par conséquent, elles ont été mises de côté après avoir été installées pendant seulement dix minutes lors de l'inspection ouverte, et ne sont devenues plus qu'un souvenir.

Compétition au plus haut niveau

NISMO a été couronné champion de la série en 2014. Les ingénieurs aérodynamiciens de NISMO ont utilisé la synergie entre les résultats de Simcenter STAR-CCM+ et les tests en soufflerie pour atteindre une spécification optimale de faible traînée. Les développeurs de véhicules de course de NISMO continuent d'utiliser Simcenter STAR-CCM+ comme un outil indispensable dans leur processus de développement. Il fournit une pré-évaluation précise, un aperçu plus approfondi d'un modèle grandeur nature et la possibilité d'évaluer autant de configurations que possible.

À la suite de l'interview pour cet article, la société a annoncé son intention de participer aux 24 Heures du Mans, ce qui alimente davantage le besoin de CFD dans le développement de véhicules. Par conséquent, une fois de plus, Simcenter STAR-CCM+ sera utilisé par NISMO pour concourir au plus haut niveau du sport automobile.