Konzipierung und Validierung der Aerodynamik eines Formula Student Fahrzeugs

Konzipierung und Validierung der Aerodynamik eines Formula Student Fahrzeugs

Authors: Fabian Schrepfer & Mauro Schegg, BSc Student, Fachhoschule Ostschweiz OST

Ziel der Arbeit:

Das Racing Team OST ist erst im Aufbau und verfügt daher noch über kein Know-how im Bereich der Aerodynamik von Formula Student Rennwagen. Diese Arbeit verfolgte das Ziel, ein Fundament an Wissen aufzubauen bezüglich verschiedener Aerodynamikkonzepte, die im Bereich der Formula Student zum Einsatz kommen. Abtrieb und Luftwiderstand sind dabei die zwei wichtigsten Kenngrössen, die für die Evaluation der Konzepte verwendet wurden. Konkret sollte kein Aerodynamikkonzept entwickelt werden, das am Ende bereit für die Fertigung ist.

Vorgehen:

Mittels numerischer Strömungssimulationen (CFD) mit ANSYS CFX wurden Varianten für Frontflügel, Heckflügel und Seitenkasten untersucht. Zusätzlich wurden aerodynamische Hilfselemente wie Whisker, Louvres, Vortex-Generatoren und Gurney-Flaps untersucht. Ein besonderes Augenmerk galt dem Drag Reduction System (DRS), bei dem verstellbare Flügelprofile an Front- und Heckflügel untersucht wurden. Zur strukturellen Bewertung erfolgte eine Analyse der Verformung des Frontflügels unter Last mit verschiedenen Materialien und Konstruktionen mittels ANSYS Mechanical, um die Einhaltung des Reglements sicherzustellen. Abschliessend erfolgte eine Bewertung des Gesamtpakets anhand einfacher Streckensimulationen mit und ohne Aerodynamikbauteile die mit Matlab und Simulink erstellt wurden, wobei das Formulastudentfahrzeug als Punktmasse angenähert wurde.

Ergebnis:

Diese Arbeit liefert einen umfassenden Überblick über verschiedene aerodynamische Konzepte und deren Auswirkungen auf Abtrieb und Luftwiderstand und dadurch auf eine idealisierte Rundenzeit, die mithilfe einer einfachen Systemsimulation ermittelt wurde. Dabei konnte auch plausibel gemacht werden, dass ein Aerodynamikpaket auf einer kurvenreichen Strecke einen Vorteil erbringen kann. Die gewonnenen Erkenntnisse können dem Racing Team OST künftig als Grundlage für die gezielte Entwicklung eines leistungsfähigen Aerodynamikpakets dienen.

Systemsubmodell für die Simulation der Beschleunigung und Verzögerung eines als Punktmasse vereinfachten Fahrzeuges. (Eigene Darstellung)

Darstellung der Geschwindigkeit der Luft und deren Verlauf über die Komponenten des Gesamtkonzeptes. (Eigene Darstellung)

Gesamtkonzept eines möglichen Aeropakets mit grossem Abtrieb. (Eigene Darstellung)