» Modelowanie CFD w ANSYS FLUENT bolidu F1 2022

Modelowanie CFD w ANSYS FLUENT bolidu F1 2022

  1. Założenia nowej generacji bolidów przez FIA
  2. Prezentacja modelu WBR22
  3. Cel symulacji
  4. Wyniki symulacji i ogólna charakterystyka samochodu.
  5. Jak poznać, czy bolid jest szybki oraz gdzie ma braki.
  6. Teoretyczne rozważania zmian geometrii samochodu do poprawy aerodynamiki

Bolid F1 2022: Założenia FIA co do nowej generacji

Po co modelowanie CFD bolidu F1? Założeniami redefinicji własności aerodynamicznych była przede wszystkim poprawa śladu aerodynamicznego, czyli zmniejszenia tzw. „brudnego powietrza”, aby podążający samochód nie tracił tak wiele docisku w bliskiej odległości. Skoro mowa o sile docisku, jej poziom teoretycznie ma się zmniejszyć. Bolid F1 2022: w kontekście geometrii samochodu powróci konstrukcja podłogi z dwoma kanałami ciągnącymi się przez całą jej długość skupiając się na efekcie przypowierzchniowym. Za to przednie i tylne skrzydła będą płynnie przechodzić między profilami a płytami krańcowymi (endplates). Regulamin techniczny bardzo precyzyjnie definiuje wszystkie płaszczyzny i objętości w których dane elementy bolidów muszą się znajdować, jednak nadal istnieje pewne pole do popisu dla kreatywnych inżynierów.

model CAD bolidu F1
model CAD bolidu F1
Rysunek 1. Porównanie modeli koncepcyjnych: FIA (u góry), WBR22 (na dole)

Prezentacja modelu WBR22

Model koncepcyjny F1 2022 został zbudowany latem 2020 zgodnie z regulaminem technicznym z marca ubiegłego roku. Jest to ważny aspekt, gdyż od tamtego czasu pojawiło się kilka rewizji dotykających praktycznie wszystkie kluczowe elementy aerodynamiki samochodu. Wprowadzenie tych zmian nie zmieściłoby się w okienku użyczenia oprogramowania do symulacji CFD. W opublikowanych dokumentach na próżno szukać oficjalnych specyfikacji ujednoliconych komponentów oraz bocznych i nowej tylnej sekcji zderzeniowej. W związku z tym braki zostały uzupełnione na bazie modelu do tunelu aerodynamicznego zaprezentowanego w Austin w 2019 roku. Obszary mające relatywnie niski wpływ na całość zostały odpowiednio uproszczone. Kanały chłodzenia hamulców oraz dolot silnika zostały „wirtualnie otwarte”. Chłodnica stanowi pojedynczy element porowaty symulujący rdzeń chłodnicy z własnościami reprezentującymi te stosowane w motorsporcie. Projekt jest bazową wizualizacją nowych zasad, za który odpowiada jedna osoba.płaszczyzny i objętości w których dane elementy bolidów muszą się znajdować, jednak nadal istnieje pewne pole do popisu dla kreatywnych inżynierów.

Bolid F1 2022: Cel modelowania cfd

Celem modelowania CFD było sprawdzenie podstawowych własności aerodynamicznych pojazdu, a także sprawdzenie rozwiązań dostarczanych przez ANSYS przy potencjalnym rozwoju konstrukcji. Model został zbadany przy użyciu metod stosowanych w praktyce w motorsporcie, pozwalających na uzyskanie całkiem przyzwoitej jakości danych w domowych warunkach. Zastosowano metodę RANS, z modelem turbulencji k-epsilon realizable.

ANSYS FLUENT Meshing
Rysunek 2. Widok na powierzchniową siatkę obliczeniową ANSYS Fluent

Przepływ powietrza ustalono na 50 m/s (180 km/h), a najniższy punkt prześwitu podłogi wynosi 10 mm przy zastosowaniu rake 1,5°. Obniżenie prześwitu do niższych wartości byłoby możliwe, jednak mogłyby pojawić się problemy związane ze stabilnością samych obliczeń, jak również konieczność zastosowania bardziej dokładnych siatek w tym obszarze rzutujących bezpośrednio na czas symulacji. Współczynniki aerodynamiczne będą opisywane zgodnie z osiami na które działają: Cx – współczynnik oporu aerodynamicznego, Cz – współczynnik siły docisku aerodynamicznego.

Bolid F1 2022: Wyniki symulacji i ogólna charakterystyka

Wyniki symulacji RANS zostały poddane analizie statystycznej z ostatnich 200 iteracji. Dane numeryczne uzyskano dla połówki samochodu, dlatego dla uzyskania właściwych współczynników należy je podwoić. Niektóre źródła podają, że obecna generacja bolidów F1 ma współczynnik Cz na poziomie 6-7. Uzyskane wartości docisku na poziomie 4,45 wstrzeliłyby się w założeniach FIA o redukcji docisku o ok. 30-40%, a opory na poziomie 1,5 dają w sumie wydajność aerodynamiczną bliską 3,0. Balans aerodynamiczny dla tej konfiguracji wynosi 63:37 i znajduje się ok. 1,33 m w tył od przedniej osi pojazdu. Tolerancja wynosi 0,024 dla Cx oraz 0,059 dla Cz. Są to dość duże odchyłki i wraz z rozwojem geometrii oraz metod powinny zejść do poziomu mniejszego niż 0,005, jeśli tak się nie stanie, to należałoby rozważyć badania parametrów numerycznych symulacji.

Przekładając powyższe dane na siły wyrażone w Newtonach: przy prędkości 180 km/h samochód generowałby docisk 6,8 kN (±180 N) przy 2,3 kN oporów (± 75 N), jeśli prędkość wzrośnie do 320 km/h są to wartości odpowiednio: 21,5 kN (± 567 N), 7,2 kN (± 236 N). Wartości balansu oscylują na poziomie 3 punktów procentowych.

analiza wyników symulacji cfd
Rysunek 3. Wykres wartości zainteresowania na przestrzeni 2000 iteracji symulacji.
analiza wyników symulacji cfd
Rysunek 4. Wykres wartości zainteresowania na przestrzeni ostatnich 200 iteracji symulacji.

Jak łatwo zauważyć wypadkowa odchyłek sił aerodynamicznych ma dużo większe znaczenie wraz ze wzrostem prędkości samochodu. W najgorszym przypadku dodatkowe 55 kg obciążenia rozłożone na powierzchni samochodu może oznaczać dodatkowe gramy przeznaczone na wytrzymałość poszczególnych elementów. Opory oraz docisk bazowej geometrii mieszczą się w potencjalnym okienku startowym z jakim potencjalnie mogą zacząć zespoły F1.

Na to warto zwrócić uwagę!

Bardziej niepokojąca jest wartość oraz odchylenie balansu aerodynamicznego, gdzie nie dość, że balans jest przesunięty bardzo mocno do przodu, to jeszcze potencjalnie waha się między 60-66%. Takie rozłożenie sił aerodynamicznych sprawi (nawet przy założeniu rozkładu mas 50:50, a obecne bolidy F1 mają ten rozkład przesunięty do tyłu), że układ będzie niestabilny przekładając się na bardzo dużą nadsterowność. W takim przypadku wręcz krytyczne będzie poszukiwanie „tylnego docisku” np. poprzez skupienie się na tylnych elementach samochodu lub ograniczenie różnicy prześwitów między przednią a tylną osią.

Ogólnie, aby układ sił był stabilny punkt środka sił aerodynamicznych (Center of Pressure) powinien znajdować się za środkiem ciężkości samochodu. Skoro samochód został zamodelowany z chłodnicą, to warto o niej wspomnieć. Przepływ masowy ustalił się na poziomie 0,83 kg/s. Nie znając dokładnych wartości zapotrzebowania części aerodynamicznej układu chłodzenia ciężko jest określić, czy ta wartość jest „dobra” czy „zła”, jednak wydaje się być dość niska.

Modelowanie CFD: gdzie bolid ma potencjał, a gdzie braki?

Przechodząc do analizy danych wizualnych zaczynając od współczynnika ciśnienia statycznego (Cp) na powierzchniach samochodu można zauważyć, przednie skrzydło działa w miarę bez większych zarzutów, na tylnym brak klasycznych płyt krańcowych skutkuje pojawieniem się podciśnienia na jego zagiętej krawędzi. Połączone profile w jedną zamkniętą objętość powodują drobne oderwanie na samym końcu tego obszaru po stronie ssącej. Fioletowa ramka wokół wlotu do kanału chłodnicy świadczy powstającym oderwaniu najprawdopodobniej z racji „wylewającego się” powietrza z wnętrza kanału.

Najbardziej interesujący obszar nadchodzącej generacji bolidów to kompletnie nowa podłoga, która ma wykorzystywać bardziej efekt przypowierzchniowy. Jest to obszar, który będzie kluczowy w planach rozwojowych wielu zespołów. Szczególnie zważywszy na fakt współpracujących elementów z podłogą jak bardgeboardy i „beamwing” tylnego skrzydła. Przednia część podłogi w bazowym modelu nie generuje poziomów podciśnienia jakich można byłoby się wstępnie spodziewać. Podciśnienie w punkcie przegięcia dyfuzora też szczególnie nie zachwyca. Interesujące jest pojawienie fioletowych plam po wewnętrznej stronie zewnętrznych ścian dyfuzora, te świadczą o powstaniu sporych wirów krawędziowych.

ANSYS CFD wyniki PrepPost
Rysunek 5. Rozkład współczynnika ciśnienia Cp na powierzchni konceptu bolidu F1 2022

Przekroje współczynnika ciśnienia całkowitego (CpT) nie wskazują na oderwania ze skrzydeł poza wspomnianej końcówce zagiętej części tylnego skrzydła. Jednak powstające ślady aerodynamiczne świadczą o nieoptymalnym ustawieniu profili między sobą. Co ciekawe lotka na zewnętrznej krawędzi przedniego skrzydła nie generuje wiru o sile podobnej jak np. w przypadku samochodów LMP. Z kolei ma wpływ na pozycję wiru powstającego z górnej krawędzi endplate. Bargeboardy w zaprezentowanej formie działają w porządku wyłapując wzbudzone powietrze zza przedniego koła wyrzucając je na zewnątrz. W tylnej części powstają liczne oderwania związane z pozycją elementów zawieszenia. Podkreślić należy, że jedno takie oderwanie ma ogromny wpływ na wydajność lotek zamontowanych na tylnym kole. Ten detal sprawia, że więcej wzbudzonego powietrza z tylnego koła będzie wpadać do dyfuzora zmniejszając jego potencjał.

Krótko o nowince aero:

Przy okazji przekrojów należy wspomnieć o charakterystycznym nowym komponencie, który będzie ujednolicony dla każdego zespołu, a mianowicie lotce nad przednim kołem. Jej zadaniem jest zredukowanie oderwania strug powietrza przyczyniając się do zmniejszenia ogólnej ilości „brudnego powietrza”. Efekt jest znakomicie widoczny na przekroju normalnym do osi Y.

Teoretyczny plan rozwoju modelowania aerodynamiki

Taki przegląd danych pozwala na wpisanie na listę potencjalnych poprawek i usprawnień zbliżających do realizacji potencjalnych celów rozwojowych. Tutaj zdecydowanie należy przyjrzeć się raz jeszcze przepływowi przez całą podłogę. Jedną z opcji byłoby podniesienie krawędzi natarcia podłogi, aby sprężyć większą ilość powietrza pod samochodem, a także zrewidować kompletnie kształt i rozmiar dyfuzora, gdyż ten został zamodelowany z minimalnym użyciem dostępnego obszaru. Dodatkowo stosując odpowiednie przegięcia lub tunele na trójkątnej obecnie płaskiej części zewnętrznej podłogi można postarać się o dodatkowe „uszczelnienie” dyfuzora przed napływem powietrza z zewnątrz. Poszukiwania docisku na tylnej osi wsparte będą zmianami na tylnym skrzydle zaczynając od wyeliminowania oderwania. Do tego można spróbować zastosować bardziej agresywne ustawienie profili. A skoro o tych mowa – możliwe jest zastosowanie „beamwing” w konfiguracji z dwoma profilami.

Wlot kanału chłodnicy wraz z podcięciem pod nim również znajdzie swoje miejsce na liście zmian. Najprawdopodobniej mniejszy wlot z większym podcięciem w przedniej części pozwoliłby na lepsze dostarczenie większej ilości powietrza między dyfuzor i „beamwing”. Z kolei tylna część sekcji bocznej jest bardziej ograniczona regulaminem niż obecna generacja i tutaj trzeba uważać na zachowanie odpowiednich kątów i krzywizn. M.in. dlatego koncept z dużym spadem powierzchni sidepodów może nie mieć zastosowania w przypadku nowych bolidów. W przypadku prawidłowego planu rozwoju samochodu, wszystkie punkty powinny zostać zbadane osobno. Choćby po to, by znać dokładnie co dana zmiana powoduje i czy jest pozytywna, czy nie. Wprowadzenie wielu zmian na raz nie dość, że może wprowadzić chaos w wynikach, to znalezienie przyczyn potencjalnych problemów może potrwać znacznie dłużej niż normalnie. Jednakże takie operacje stosuje się w momencie kiedy zestaw pojedynczych zmian ma pozytywny wpływ i chce się wprowadzić model na kolejny bazowy poziom.

Aerodynamika ANSYS cfd
Rysunek 6. Widok na powstające zawirowania strug powietrza.

Bolid F1 2022 i modelowanie CFD: Podsumowanie

Nowa generacja bolidów F1 przynosi zestaw kompletnie nowych wyzwań dla zespołów. Jakby nie było też w wielu miejscach staje się bardziej restrykcyjna w swoich założeniach. Bazowy model pod kątem wartości sił aerodynamicznych teoretycznie wpisywałby się w poziom planowany przez FIA. Wspomniane zmiany do modelu koncepcyjnego, to wierzchołek góry lodowej możliwości poprawy osiągów. Widząc potencjał w poszczególnych obszarach, inżynierowie staną na wysokości zadania i raczej odzyskają stracony docisk przy zachowaniu odpowiedniego balansu. Czy w związku z tym pierwotne założenia organizatorów F1 przełożą się na rzeczywistość? Na odpowiedź trzeba będzie poczekać jeszcze cały rok.

Modelowanie CFD przeprowadzono przy użyciu oprogramowania ANSYS CFD dostarczonym przez firmę MESco na stacji roboczej wyposażonej w procesor AMD Threadripper 3960X. Więcej o tym jak została przeprowadzona symulacja znajdziecie w artykule na stronie MESco: (link do praktycznych wskazówek).

Ciekawostką jest fakt, że model został przygotowany do nadchodzącego sezonu Polskiej Ligi Simracingowej z użyciem symulatora rFactor 2.