Geometriska förenklingar vid numerisk modellering av framvingens aerodynamik för formelbil

Abstract

Idag är forskning om aerodynamik en central del av motorsport då det ger insikt i viktiga krafter som exempelvis luftmotstånd. Som komplement till vindtunnelexperiment och bantester används beräkningsströmningsdynamik (Computational Fluid Dynamics, CFD) som verktyg för att simulera aerodynamiska egenskaper vid fordonsdesign. På grund av de höga beräkningskostnaderna för CFD är aerodynamiker intresserade av olika förenklingar för att kunna utvärdera fler designalternativ med de begränsade resurserna som finns. Syftet med detta kandidatarbete är att undersöka hur olika geometriska förenklingar kan användas vid utvecklingen av framvingen på en Formula Student (FS) bil. Med hjälp av den mest uppdaterade (vid januari 2023) fullständiga simuleringsfilen i helbil från Chalmers Formula Student (CFS) skapades fem olika förenklade modeller, var och en simulerad med tre olika vingar. Dessa jämfördes med helbilssimuleringen och med varandra. Den mest framgångsrika förenklingen användes i designprocessen av en ny framvinge. Baserat på analysen av dessa simuleringar drogs slutsatsen att en förenkling med en bra avvägning mellan noggrannhet och förenklingsgrad är en halvbilssimulering av framvingen, framhjulen, hjulupphängningen och karossen. Denna variant reducerade antalet celler till 18% av de i helbilsreferensen och motsvarande minskning i tidsåtgång för simuleringen. Den kunde förutsäga framvingens downforce, samt beskriva vorticitet och totaltryck nedströms fram till sidovingarna, med acceptabel precision för att förutsäga vissa aspekter av hela bilens aerodynamiska prestanda. Om dessutom sidovingarna inkluderas erhålls ökad precision, på bekostnad av en 29% ökning av antalet celler. Förenklingarna är inte menade att användas isolerat, utan snarare som ett av flera verktyg tillsammans med helbilssimuleringar och vindtunneltester.