Theoretische und experimentelle Untersuchung der Aerodynamik eines Formel 1 Frontflügels

 

Physik  |  Technik

 

Levin Kunz, 2007 | Nottwil, LU

 

Man könnte annehmen die Aerodynamik in der Formel 1 sei ziemlich simpel. Ein konkurrenzfähiges Auto setzt grundsätzlich nur ein gutes Zusammenspiel zwischen Abtrieb und Widerstand voraus, oder? Nicht ganz, denn was einfach klingt ist wie so oft weit tiefgreifender als es zu Beginn scheint.
Diese Arbeit befasst sich mit den Methoden der Aerodynamik in der Formel 1 anhand des Frontflügels. Nach dem Erlernen der relevanten Theorie wird gezeigt, wie ein erstes Frontflügelmodell erstellt und im Windkanal getestet wurde. Bezugnehmend auf die Theorie werden verschiedene Herangehensweisen zur Optimierung des Frontflügels verdeutlicht und deren Auswirkungen erklärt. Die zentrale Forschungsfrage lautet, wie sich verschiedene Veränderungen an der Flügelgeometrie auf die Gleitzahl auswirken. Um diese zu beantworten, werden verschiedene Profile in einer Simulation verglichen.
Zum Schluss wird anhand eines zweiten Windkanalversuchs gezeigt, dass die Auswirkungen von Profilveränderungen im Grossen und Ganzen von der Simulationssoftware in die Praxis übernommen werden können.
Das Ziel der Arbeit, zu zeigen wie die Veränderung verschiedener Geometrieparameter dazu genutzt werden kann, die Gleitzahl einem Zielwert anzunähern konnte folglich erreicht werden.

Fragestellung

Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, aufzuzeigen, wie ein Objekt aerodynamisch verbessert wird. Hauptsächlich wird die Gleitzahl untersucht, welche sich aus dem Abtrieb dividiert durch den Widerstand ergibt. Drei ausgewählte Herangehensweisen werden am Frontflügel umgesetzt und simuliert. Anschliessend wird überprüft, ob die Veränderungen den Effekt hatten, welchen man von der Theorie her erwarten konnte. Eine weitere Frage, mit welcher sich die Arbeit befasst ist, ob die Resultate aus der Simulation in die Praxis übertragbar sind.

Methodik

Zum Zeichnen der Frontflügelprofile wurde FreeCAD 1.0 verwendet. Die Simulationen wurden mit der CFD-Software SimScale durchgeführt. Die Modelle für den experimentellen Teil der Arbeit wurden aus dem Material PLA 3D-gedruckt und waren in etwa einen halben Meter breit. Durchgeführt wurden die Versuche im Windkanal der Hochschule Luzern, wo Experimente mit Windgeschwindigkeit von 36 m/s gemacht werden konnten. Das Modell wurde an vertikalen Seilen eingespannt. Vertikale Seile hielten das Modell an Ort und Stelle, während vier Sensoren den Abtrieb und den Widerstand massen.

Ergebnisse

Die simulierten Frontflügel haben Gleitzahlen in einem Bereich zwischen 5.71 und 6.23 ergeben. Die Auswirkungen fast aller Veränderungen fielen so aus, wie man es anhand der Theorie hat erwarten können. Auch bei Kombinationen zweier Veränderungen waren die Resultate so, wie sie basierend auf den Auswirkungen der beiden isolierten Veränderungen erwartet werden konnten.
Beim zweiten Windkanalversuch wurde ein Modell getestet, bei welchem im Vergleich zum ursprünglichen Profil die Form angepasst und der Anstellwinkel gesenkt wurde. Das zweite Modell generierte leicht mehr Abtrieb und deutlich weniger Widerstand. Seine Gleitzahl betrug 6.23, diejenige des ersten Modells 6.12. Damit konnte gezeigt werden, dass die Auswirkungen der vorgenommenen Veränderungen in der Praxis weitgehend mit denen in der Simulation übereinstimmen.

Diskussion

Die Veränderung an der Flügelgeometrie hatte in der Praxis die selbe Auswirkung wie in der Simulation, wenn nur das Verhältnis der beiden Modelle betrachtet wird. Wirft man allerdings einen Blick auf die numerischen Werte, unterscheiden sich diese deutlich. Die Simulation sagte bei beiden Modellen über 60% mehr Abtrieb vorher als später im Windkanal gemessen wurde. Dies lässt sich hauptsächlich mit seitlichen Schwankungen des Modells im Windkanal sowie mit möglicher Reibung des Modells mit den vertikalen Einspannseilen erklären. Dies ist eine Schwachstelle im Versuchsaufbau. Da der Nutzen des experimentellen Teils aber ein Vergleich zweier Modelle war konnte das Ziel, welches die Versuche laut Fragestellung verfolgten, trotzdem erreicht werden.

Schlussfolgerungen

Die Arbeit konnte erfolgreich zeigen, wie an die aerodynamische Optimierung eines Formel 1 Frontflügels herangegangen werden soll. Da es aber nicht den optimalen Frontflügel gibt, sondern dieser stets von Faktoren wie den Streckenbedingungen sowie den Komponenten des restlichen Autos abhängt, kann nicht behauptet werden, die Arbeit hätte den perfekten Frontflügel gefunden. Während unzählige Herangehensweisen an die Verbesserung eines Frontflügels denkbar sind, musste sich diese Arbeit auf einige wenige Aspekte beschränken. Alles in Allem konnten die definierten Ziele erreicht und sämtliche Fragestellungen beantwortet werden.

 

 

Würdigung durch den Experten

Leon Hinderling

Die Arbeit überzeugt sowohl durch ein tiefgehendes physikalisches Verständnis als auch durch ausgeprägte methodische Kompetenz. Die ambitionierte Fragestellung wird mithilfe einer Kombination aus professionellen Mitteln und ingenieurtechnischer Kreativität bearbeitet. Besonders hervorzuheben ist der strukturierte wissenschaftliche Ansatz. Die Experimente werden sorgfältig geplant und durchgeführt sowie nachvollziehbar dokumentiert. Die Resultate sind klar dargestellt und bis ins Detail diskutiert, wodurch eine fundierte wissenschaftliche Arbeit entsteht.

Prädikat:

Silber

Sonderpreis «European Space Camp (ESC)» gestiftet von der Metrohm Stiftung

 

 

 

Kantonsschule Sursee
Lehrer: Stefano Chiantese