13 december 2017

Aerodynamica onderzoek in de Lucht- en Ruimtevaart ook toegepast in de Formule 1

De Formule 1 motorsport maakt gebruik van veel dezelfde technologieën die ook in de Lucht- en Ruimtevaart worden toegepast. Computational Fluid Dynamics (CFD) is momenteel een onmisbaar onderdeel bij de simulaties van races. Meer hierover, en een verslag uit eerste hand van een Delftse student die 13 maanden stage liep bij  het Mercedes F1 team.

Evolutie van F1 Raceauto’s credits; phapp

Er rijst al een tijdje een nieuwe Nederlandse ster aan het Formule 1 firmament. Max Verstappens zowel recentelijke als zijn ‘the rest is history’ successen worden breed uitgedragen in de media, en voor de F1 raceliefhebbers is het genieten geblazen. Dat de Lucht- en Ruimtevaart, zowel op het gebied van de wetenschap als van de industrie en de Formule 1 motorsport, veel met elkaar gemeen hebben zal geen verrassing zijn. Beiden vereisen de creaties van machines die qua fabricage aan de uiterste randen van high-tech engineering  zetelen. ‘Cutting-edge technology’ dus en twee belangrijke, ook wel ‘trickle downs’ of ‘doorsijpelingseffecten’ die uit de L & R inmiddels stevig zijn doorgedrongen zijn in de F1 zijn onder meer, op het gebied van de aerodynamica de ‘Computational Fluid Dynamics’ (CFD) en op materiaalgebruik, de koolstofvezel ‘monocoque’ constructie (Een constructietechniek, waarbij de dragende constructie wordt gevormd door de schaal, ofwel de buitenhuid, zonder inwendige versterkingen.  De belasting wordt  opgenomen door de buitenhuid van een object, in tegenstelling tot bv. een frame constructie die wordt voorzien van een niet-dragende buitenhuid.) Laatstgenoemde is met name gepionierd in defensietoepassingen (straaljagers), en begin jaren ’80 geïntroduceerd bij de F1 door McLaren, een lichte, sterke maar dure constructie. Koolstofvezel, (CF, carbon fiber), wordt nu gebruikt voor het grootste deel van een moderne F1-auto m.u.v. de motor. De complexe aerodynamica die betrokken is bij het Formule 1 autoracen is vrij behoorlijk vergelijkbaar met die in de lucht- en ruimtevaarttechniek. Met name het wetenschappelijk veld in de aerodynamica dat ook wel  ‘Computational Fluid Dynamics’ wordt genoemd. CFD maakt gebruik van geavanceerde computersimulaties om voorspellende modellen te ontwerpen  die helpen de afstelling van de auto en haar onderdelen te corrigeren voor en tijdens de race. Lang voor de start van het nieuwe seizoen gaan ingenieurs, informatici en aerodynamici een strategie voor hun team uitzetten dat zwaar leunt op deze CFD  voor het herontwerpen en optimaliseren van de prestaties voor hun auto’s. Computational Fluid Dynamics (CFD) -software simuleert ook de aërodynamische fabricage van alle F1 race auto’s en  de auto’s doorlopen tienduizenden technische veranderingen per jaar.

Aerodynamica bij de Formule 1 raceauto’s, manifesteert zich op eendere wijze bij aerospace engineering. De aanpak van onderzoek op het gebied van aerodynamica, technieken, data analyse en testen,  lijkt sterk op de aanpak in de Lucht- en Ruimtevaart industrie. Formule 1-raceauto’s – die qua ontwerp en functie vergelijkbaar zijn met een op zijn kop gedraaid vliegtuig – kunnen versnellingen genereren tot wel 6 g. In deze zeer zichtbare, of ook wel ‘high-stake’ motorsport worden er zware eisen aan CFD gesteld en daarmee rust er een enorme druk op ingenieurs om voordelen in ontwerp en prestaties te bewerkstelligen.  “CFD is van cruciaal belang nu de teams momenteel proberen verbeteringen te evalueren die ze zelfs honderdsten van een seconde kunnen verdienen in de rondetijd”, aldus experts van het bedrijf ANSYS, dat software levert aan enkele F1-teams, waaronder Red Bull, Ferrari,  en Sauber. Wat ooit een wetenschappelijke noviteit was, is heden ten dage een onmisbaar hulpmiddel geworden. Men gebruikt nu  simulatie als standaard onderdeel van het ontwerp- en optimalisatieproces, het is routine geworden in de afgelopen jaren om te voorspellen hoe de natuurkrachten en de racecondities  de auto’s zullen beïnvloeden op de dag van de race. De principes waarmee vliegtuigen vliegen gaan ook op in de autoraces met het enige verschil dat hier de ‘vleugel(vorm)’ondersteboven downforce produceert in plaats van de opwaartse lift voor het vliegtuigen elk F1 team doet zijn uiterste best om de downforce in hun auto’s te vergroten zonder de regels te overtreden. Als een fluïdum (gas of vloeistof) rondom een object met verschillende snelheden stroomt, zal de langzamer bewegende vloeistof meer druk uitoefenen dan de sneller bewegende vloeistof op het voorwerp. Het object zal dan naar de sneller bewegende vloeistof worden geduwd. De vleugel van een vliegtuig is zodanig gevormd dat de lucht over de bovenkant er sneller overheen beweegt dan dat de lucht eronder door stroomt. Aangezien de luchtdruk onder de vleugel dan groter is dan die boven de vleugel, ontstaat er een opwaartse lift. Voor de auto geldt hetzelfde principe, de vorm van het chassis is vergelijkbaar met een omgekeerd naar beneden gericht vleugelprofiel. De lucht beweegt sneller onder de auto door dan dat ze eroverheen  beweegt, waardoor neerwaartse druk of negatieve lift op de wagen komt te staan. Schoepen of vleugels worden ook gebruikt in de voor- en achterkant van de auto in een poging om meer downforce te genereren. Deze downforce is nodig om hoge snelheden door de bochten te houden en de auto naar de baan te duwen. De raceauto krijgt meer aandacht en zorg dan ooit tevoren om de meest efficiënte aerodynamische vormgeving te ontwikkelen.

Mc Laren mission control credits; digital world

Data centra van de Formule 1  teams hebben tegenwoordig veel weg van de controle centra die we kennen uit de ruimtevaart als in Houston MSC en het KSC, Kennedy Space centra. Zeer ‘space-aged’ dus. Grote wanden vol clusters met beeldschermen van alle topmerken sieren tegenwoordig de control rooms. De verschillende typen ‘runs’ of CFD-experimenten die ingenieurs gebruiken, hebben betrekking op het ontwerp van de raceauto of de simulatie van raceomstandigheden. Als het goed wordt gedaan, kunnen technici met deze virtuele tests – met een relatief hoge nauwkeurigheid – simuleren hoe bepaalde onderdelen van een auto zullen presteren en het geeft het team een beter inzicht in hoe een auto zich gedraagt wanneer deze wordt geconfronteerd met veranderingen in omstandigheden zoals temperatuur of vochtigheid. “CFD kan een snapshot voor specifieke componenten uitvoeren, aldus Nathan Sykes, directeur van het CFD Red Bull,  “CFD laat je precies in een [conceptueel] stadium zien voordat er echt iets is gebeurd.” Sykes zei dat in het afgelopen decennium de kwaliteit van CFD zodanig is gestegen dat F1-teams steeds meer op deze vorm van modelleren vertrouwen.  “Toen ik 10 jaar geleden voor het eerst startte, was er hier minimale CFD, we deden een of twee volledige modellen per jaar,” aldus Sykes. “Nu doen we runs in de orde van grootte van vele honderden per week.”  Niet alle prestatieaspecten van een moderne F1-auto kunnen worden gerepliceerd in een windtunnel, maar vanwege de vooruitgang in CFD kan een groter deel van de prestaties van een auto worden gesimuleerd.’Terwijl de rijkste teams als Mercedes, Ferrari, Red Bull  meer CFD-runs (zouden) kunnen uitvoeren als de minder gefortuneerde teams, worden ze ook beperkt door F1-voorschriften voor de hoeveelheid CFD die kan worden gebruikt. Het bestuursorgaan van F1 dicteert het aantal teraflops [computervermogen] dat een team kan uitvoeren, evenals de uren windtunneltests die elke week worden uitgevoerd. In de maanden voorafgaand aan een race verzamelen ingenieurs hoeveelheden informatie over verschillende operationele aspecten.

Front wing detail Mercedes F1 2016 credits; motorsport

Het Mercedes AMG Petronas Formule 1 Team is momenteel het meest dominante F1 team in de competitie met 4 overwinningen op rij, hoewel Ferrari met 15 x  ‘scuderia’ of stalkampioen nog steeds aan kop gaat in de ranglijst sinds 1950. Een Delftse student L & R, Daniele Giaquinto, deed een jaar geleden verslag in het tijdschrift van de VSV Da Vinci (L & R TUD), de Leonardo Times,  van zijn stage bij het Mercedes Formule 1 Team.  Als aerodynamisch expert was zijn hoofdtaak  het ontwerpen en ontwikkelen van nieuwe aerodynamische concepten om de prestaties van de auto te verbeteren. Voor het Mercedes F1 team is  Brackley (VK) de thuisbasis, gelegen op 110 kilometer ten noordwesten van Londen. De student kwam in een omgeving vol hightech engineering,  van driver-in-loop simulatoren, een windtunnel tot zogeten ‘trackbays’ voor de assemblage van de auto’s allemaal onder een dak . Hij verhaalt, een stage bij het Mercedes F1 team beslaat 13 maanden, meestal van juni tot juli het erop volgend jaar, en de stagiaires komen terecht op een van de vier grote afdelingen t.w. aerodynamica, voertuigdynamica, system controls of composieten. Het doel van de stage is om door het intensieve werk in zo een uiterst dynamische omgeving  een dieper begrip te krijgen voor de toegepaste natuur- en wiskunde. Hoewel aerospace toepassingen algemeen beschouwd worden als de meest complexe die er bestaan, zowel uit wetenschappelijk als uit ingenieurs oogpunt bezien,  na gewerkt te hebben aan de aerodynamica gegenereerd door een F1 auto, is er geen twijfel mogelijk dat de F1 industrie in het bezit is van cutting-edge aerodynamische know-how, aldus Giaquinto in zijn relaas. In het artikel. neemt hij de wielen van de auto’s als voorbeeld.  Hij noemt ze in de terminologie van de aerodynamica,  ‘bluff-bodies’ of stompe ‘lichamen’, deze, zodra ze onderworpen zijn aan vloeistofstroming worden geclassificeerd als gestroomlijnd of stomp, afhankelijk van hun algehele vorm. (Een bluff-body kan worden gedefinieerd als een lichaam dat, als gevolg van zijn vorm, gescheiden stroom heeft over een substantieel deel van zijn oppervlak. Of elk lichaam dat, wanneer het in de vloeistofstroom wordt gehouden, de vloeistof niet de hele grens van het object raakt. Een belangrijk kenmerk van een ‘bluff-body’ stroom is dat er een zeer sterke interactie is tussen de viskoze en niet-viskoze gebieden). Voor de wielen van de F1 auto geldt dat ze niet alleen rond hun eigen assen draaien, maar ook rond de z-as roteren. De aanwezigheid van deze bluff-revolving bodies genereert een zeer hoog onstabiel stromingsveld. Een moderne F1 frontvleugel genereert alleen al tot 20 wervels of ‘vortices’, die sterk reageren met de rest van de auto. 

logo VSV Da Vinci L & R TU Delft credits; Da Vinci

Giaquinto’s stage begon met een uitgebreide rondleiding langs alle afdelingen en een stoomcursus 3-D CAD om zich verder te kunnen bekwamen in ‘high quality aerodynamic surfaces’, en het analyseren van windtunnel data. De absolute focus blijft het nauwkeurig afstemmen van alle aerodynamische onderdelen om de downforce van de raceauto te vergroten en zodra de te verbeteren structuren bekend zijn, de relevante veranderen aan te brengen in het te verbeteren stromingsveld. De F1, ook wel de ‘pinnacle’ van de motorsport genoemd is, zo concludeert hij, een zeer dynamische high-tech omgeving waarin een nieuw ontwerp ontworpen, geoptimaliseerd, getest en geproduceerd kan worden, binnen een extreem kort tijdsbestek, en dat zodra positief bevonden, direct klaar is ‘to hit the track’ ofwel het circuit opgaat. En dat laatste is juist misschien wel het grote verschil met de L & R industrie waar alle veranderingen met uiterste omzichtigheid tegemoet getreden worden en juist een tak van sport is van de lange adem. Bronnen; NASA, Leonardo Times, Daniel Giaquinto (10/2016), 12/7/2017 Citrix.com, juli 2017 blog.

https://vsv.tudelft.nl/content/leonardo-times

 

Reacties

  1. Jan Brandt zegt:

    Hoi Angele….(wederom!) zeer leerzaam en aangenaam leesvoer!!
    Hmmm….mischien moest ik toch ook maar eens van die kekke CFD-software loslaten op “mijn F één(d) extremely bluff body bolide”….hihi!!

  2. Angele van Oosterom zegt:

    Nou, straks rij je nog in je F 1(d) naar Australië, en blijkt hij ook nog te kunnen drijven..

  3. Angele van Oosterom zegt:

    Het bespaarde geld kun je dan in een bontjas en oorwarmers steken…

Laat wat van je horen

*