F1 Summer Break Blog part 2: Aero

Door iichel op vrijdag 10 augustus 2018 10:36 - Reacties (8)
Categorie: -, Views: 2.145

F1 SBB - Summer Break Blog

#2: Aero

https://f1tcdn.net/articles/aero/images/aero-sim.jpg

Eerdere delen:
#1: Banden: https://gathering.tweaker...message/56053731#56053731

Introductie

In deze (vooralsnog 2-delige) blogreeks wil ik proberen de bezoekers van dit topic wat meer info geven over de F1 en haar technische en politieke achtergronden. Dit allemaal met het doel om de 4-weken durende summer break door te komen. Immers, voordat we het weten is het alweer het weekend van Spa *O* .

Vandaag wil ik een stuk schrijven over de donkere kunsten van de aerodynamica. Vooropgesteld, ik ben geen aerodynamicist, geen engineer, geen technicus. Ik ben slechts een fan met een enorme interesse in de F1. Dus onder voorbehoud van grote fouten en incompleetheid heb ik dit geschreven. De onderwerpen die ik graag wil aandragen zijn de basics van aero; de geschiedenis, vleugels, de diffuser, vortices, rake, outwash en de toekomst.

Geschiedenis

Zoals met alles in de F1, moeten technische ontwikkelingen in de context van hun tijd en de toen geldende regelgeving gezien worden. Tot en met 1967 waren F1 autos gestroomlijnde torpedos met de motor achterin. Minder luchtweerstand (vanaf nu drag, dat typt makkelijker) betekende hogere snelheden en dat was een vrij snel rondje.

In 1968 kwam de, altijd innovatieve, Colin Chapman met vleugels op zijn Lotus 49B en niet veel later had het hele veld vleugels. U ziet, kopiŽren in de F1 is van alle tijden. Hoewel de aerodynamica nog maar slecht begrepen werd, is dit een revolutie geweest die tot aan de dag van vandaag de F1 wagens domineert: aero.

1968:
https://pbs.twimg.com/media/Bpr90PRCQAA0xRh.jpg

slechts 5 jaar later hadden we dit:
https://78.media.tumblr.com/2050f24cf4824d4ff4a5af1d32ffd141/tumblr_p8iodxhpCk1ubozlfo1_500.jpg

Enzo Ferrari zei ooit dat aerodynamica was voor mensen die geen motoren konden bouwen. Tot de jaren '60 had hij gelijk, maar tegenwoordig kunnen we er niet meer omheen. Tientallen, zelfs honderden miljoenen euros worden ieder jaar geÔnvesteerd in de aerodynamica afdelingen om zoveel mogelijk downforce te halen tegen zo min mogelijk drag, en dat allemaal binnen de regels.

Basics van aero

Goed, het punt waarop het allemaal mis kan gaan in de blog: de technische achtergrond. De manier waarop de meeste circuits gebouwd zijn, is het een goed idee om hard door een bocht te kunnen gaan in plaats van met 80 km/h door een bocht, 300 op het rechte stuk en weer afremmen tot 80 voor een bocht. Een manier om bochtensnelheid te verbeteren is een band nemen met meer grip. Echter, niets is gratis in de F1 en meer grip van de banden vragen verkort de levensduur.

Misschien moeten we dan harder op de banden gaan drukken? Meer druk op een band geeft meer grip, en zal dus minder glijden. Minder glijden draagt ook bij aan de levensduur. Dus dat zou wel eens het antwoord kunnen zijn. Nu kan een auto zwaarder gemaakt worden, maar in raceautos verpest gewicht eigenlijk alles: acceleratie, wegligging, bochtengedrag en brandstofverbruik. We moeten dus de auto harder naar beneden duwen (of zuigen!) zonder dat we de auto daadwerkelijk zwaarder maken.

Downforce

Dit is precies de reden waarom we tegenwoordig F1 autos zien die meer op vliegtuigen lijken dan op een VW Golf. Veel van de externe componenten van een F1 bolide is erop gericht om zoveel mogelijk downforce te creŽren. Downforce is een (hoofdzakelijk) neerwaartse kracht die uitgeoefend wordt op de auto, onder invloed van de lucht die er overheen stroomt. Het principe is vergelijkbaar met een vliegtuigvleugel, die omgekeerd is. Er wordt in de F1 ook wel vaak gesproken van lift (stijgkracht), bijvoorbeeld in een L/D ratio. Dat is de verhouding van lift (downforce) en drag, een indicatie van hoe efficient de aero is.

Downforce wordt vaak uitgedrukt in punten. 25 punten downforce is ongeveer een seconde per rondje. Een punt downforce levert ongeveer 0.000048*(km/h^2) kg aan downforce. Een van de bijzondere eenheden in de F1, maar de oorsprong is redelijk goed terug te leiden:
Downforce=0.5*(air density)*(speed)^2*(reference area)*Cl

Usually you don't work with Cl, but with [reference area*Cl], namely SCl.
SCl has the dimension of surface, i.e. m^2 in SI; typical values are between 2 and 5.

1 point corresponds to SCl=0.01m^2:
if your car improves from SCl=4 to SCl=4.30 it has gained 30 points of downforce.

Working with points is easier because you work with numbers like 5, 7, 30 instead of 0.05, 0.07, 0.30.

If in the formula for downforce you substitute air density=1.22 kg/m^3 and take into account dividing by 3.6^2 (conversion for speed from m/s to kph) and by 9.81 (conversion from N to kg) you get

Downforce=0.0048*(speed in kph)^2*SCl

and finally with 1 point corresponding to SCl=0.01m^2

1 point [kg] = 0.000048*(speed [kph])^2
Pat Symons vertelde er ook iets leuks over:
When engineers refer to points of downforce, what do they mean?
When we discuss downforce or drag, we try to normalise results so that ambient conditions are irrelevant. If we simply talked about how many newtons of downforce were produced at, say, 200mph, this would vary between a hot day when air density is low, and a cool day when air density is high. Aircraft pilots know about this and adjust take-off speeds depending on ambient conditions as the lift their craft experiences also varies with temperature and air pressure.

To eliminate this ambiguity, we express downforce by means of a term we name the "lift coefficient." Of course, since it is downforce we are interested in, the number is negative. This coefficient is a number that, when multiplied by air density and the square of the speed as well as a reference area, will tell us the actual downforce. The reference area is generally the frontal area of the car but, although many teams express this as 1.5 square metres, there is no hard and fast rule and so the way one team expresses the lift coefficient may be slightly different to another.

Let's say a car has a lift coefficient of -3.50. The gains made in the windtunnel will often be of a magnitude shown only by the second decimal place of that coefficient and, for convenience, aerodynamicsists talk about this being a point. Therefore if we improved our downforce by one point we would increase the coefficient from -3.50 to -3.51. In fact, downforce gains are so hard to come by that we often use the third decimal place as well and this increment is termed a "unit."

So a point is really nothing?
It's true that it is a small percentage and the effect of a gain of one point will vary from circuit to circuit, but, as a rule of thumb, a gain of three points will represent a lap-time improvement of 0.1 seconds. Given how close racing is these days, that can be very significant.
Hoe maak je downforce?

Leuk en aardig, die downforce, maar in Maart moet de GoT Henk-001 op de baan staan. Hoe maak in downforce? Er zijn verschillende manieren waarop een F1 auto downforce produceert, en het is allemaal 1 grote complexe interactie van luchtstromen die begint bij de voorvleugel en eindigt meters achter de achtervleugel.

Downforce is niets anders dan lucht met een lage of een hoge druk die de auto richting het asfalt drukt of zuigt.

Tegenwoordig halen F1 autos veel van de downforce die ze nodig hebben uit de vloer en de diffuser, ongeveer 60-70% van alle downforce komt hier vandaan. Daar beginnen we dus mee. De vloer is een grote plaat van carbon, die onder de auto zit. De naam doet wellicht vermoeden dat de vloer de auto aan elkaar houdt, echter is dat niet het geval. De vloer is puur een aerodynamisch apparaat en houdt een paar zaken als de bargeboards op hun plaats, maar is geen structureel component.

Ontwikkeling van aero

Een trend die we in de laatste jaren vooral zien is het digitaal modelleren van de aerodynamica, de zogenaamde CFD (computational fluid dynamics). Immers lucht is ook gewoon een vloeistof, als je het een F1 engineer vraagt. Nog altijd is de windtunnel en de performance van de auto ook belangrijk. Met de toenemende complexiteit in de aerodynamica vertrouwen ontwerpers steeds meer op teraflops aan rekenkracht en het gedrag van hun digitale modellen. Dit leidt vaak tot erg mooie creaties en iedere twee weken zoeken de die-hard F1 fans weer naar subtiele veranderingen en extra flapjes op de voorvleugels.

Het nadeel is, soms komt de output van de CFD modellen niet overeen met de werkelijkheid. We hebben dit in het verleden bijvoorbeeld gezien met de Red Bull Racing RB13, dit jaar de McLaren MCL33. Zodra dit het geval is, spreken we van een correlatie probleem en het kan enkele maanden kosten om dit op te lossen. WK kansen kun je dan vaak vergeten, voordat het seizoen goed en wel begonnen is.

De vloer en de diffuser

https://cdn-9.motorsport.com/images/mgl/2wAZB7M6/s8/f1-british-gp-2018-red-bull-racing-mechanics-with-red-bull-racing-rb14-floor.jpg

Goed, terug naar de aero. Onder de vloer loopt een luchtstroom die geconditioneerd wordt door de voorvleugel, splitter (tea-tray) en de bargeboards. Vaak zijn het enkele vortices (wervelwinden) die onder de vloer door lopen en daar langzaam uitzetten. Doordat het volume groter wordt (zie de vloer als een driehoek met de punt naar voren) gaat het Venturi effect ervoor zorgen dat de druk daalt. Een lagere druk 'zuigt' de auto naar onderen. De diffuser, die aan de achterkant zit en qua maten sterk gereguleerd wordt, is een driehoek met een nog steilere schuine zijde. Hier kan de lucht nog agressiever uitzetten en nog meer downforce produceren.
Een goede video over hoe een diffuser precies werkt: https://www.youtube.com/watch?v=4tWtVNu-8Yo

https://maxf1.net/wp-content/uploads/2017/10/Ferrari-SF70H-new-diffuser-Vettel-USA-GP-Austin-F1-2017.jpg

Om de vloer goed te laten werken moet alles kloppen. Zoals eerder gezegd, een F1 auto is een grote interactie en zodra de luchtstromen verstoord worden verliest een auto downforce. Er kan lucht bij de achterwielen de diffuser in 'lekken', er kan lucht aan de zijkant van de vloer 'lekken'. Vaak zien we zogenaamde vortex generatoren die een wervelwindje maken om zo een 'seal' te maken om dit te voorkomen.

Een F1 vloer produceert erg veel downforce en kan dit doen tegen erg weinig drag. Er zijn vaak trucjes met vloeren gedaan om het effect te versterken:
- Skirts op de Lotus 78.
- Enorme Venturi tunnels op de Arrows A2, waarmee de hele vloer een grote diffuser werd.
- De uitlaat in de diffuser laten uitkomen voor meer flow.
- De uitlaat boven de diffuser laten uitkomen om de diffuser beter te sealen en meer lucht eruit te pompen.
- Dubbele diffuser of effectief een grote diffuser te hebben dan de regels toestaan.

Vleugels

We zien dat in 1968 dus de F1 aero begon met vleugels, en al gauw ontdekten de engineers dat de vloer een veel efficiŽntere manier van downforce creeren is. Het nadeel van de downforce uit de vloer halen, het zogenaamde ground effect, is het binaire karakter. Zolang de auto gedraagt hoe deze zich zou moeten gedragen, geen probleem. Zodra banden te koud zijn, een kerb te agressief genomen wordt, een ophanging instort of iets anders (relatief kleins) niet klopt, dan is alle downforce weg. En dat wil je liever niet, als je net met 250 km/h door een bocht gaat. De toenmalige FIA (FICA/FOSA) heeft in de jaren '80 na enkele dodelijke ongevallen en near-misses besloten om het ground effect sterk in te perken. Autos met een vlakke bodem werden verplicht en later kwam er de zogenaamde plank ook bij.

Teams moesten op zoek naar andere methodes om downforce te genereren en de vleugels kwamen terug. De voor- en achtervleugel kwamen terug als primaire bronnen van downforce, maar tegen relatief veel drag.

https://media.licdn.com/mpr/mpr/gcrc/dms/image/C5612AQHd_63x68wiHQ/article-cover_image-shrink_600_2000/0?e=1539216000&v=beta&t=YP3TsAjtlvgHYduMlxDhagKPWtTB-G3jHh7nxSnKiYg

Dit plaatje voor de regels van 2010-2016 laat zien dat ongeveer de helft van de downforce van de vleugels komt.

De voorvleugel heeft, naast het produceren van downforce, ook een andere belangrijke rol: de airflow naar achteren conditioneren. De lucht moet het liefst om de voorwielen heen gestuurd worden (zogenaamde outwash) om de turbulentie (wake) die daar vanaf komt weg te blazen. Verder moet de voorvleugel zorgen dat de luchtstroom op de goede plaatsen aankomt op de bargeboards, onder de vloer, op de tea-tray etc etc.

https://tianyizf1.files.wordpress.com/2013/12/ibtglzyrus9f6h.gif

https://www.totalsimulation.co.uk/wp-content/uploads/2016/06/front-wing-streamlines-606x380.png

Dit plaatje laat erg goed zien hoe een vortex van de voorvleugel (de zgn Y250 vortex) interacteert met de bargeboards en de sidepods.

De achtervleugel daarentegen heeft als primaire taak het creŽren van downforce en hoeft weinig airflow te conditioneren. Achtervleugels hebben vaak twee elementen, de bovenste is nog beweegbaar voor DRS. Een achtervleugel heeft, naast downforce maken, de taak om de diffuser te versterken. Om de diffuser optimaal te laten werken, kan de lucht er met hoge snelheid en lage snelheid uit ontsnappen. Door de lucht van de achtervleugel dusdanig te laten ontsnappen kan dit een positieve werking hebben op de diffuser. We zien dit jaar bij Williams bijvoorbeeld dat er een slechte interactie is tussen de achtervleugel in de diffuser, waardoor plots alle downforce kan wegvallen.

https://scarbsf1.files.wordpress.com/2010/03/two_element1.jpg

Een achtervleugel kan veel downforce produceren, echter heeft deze, net als de voorvleugel, een vrij hoge L/D ratio. Bij het rijden op circuits met lange rechte stukken (Monza, Spa) wordt de achtervleugel vaak 'getrimd', er wordt een lagere invalshoek (angle of attack) ingesteld. De topsnelheid wordt ermee hoger, tegen minder downforce.

Rake

Er komt regelmatig het woordje 'rake' voorbij en dan vooral in relatie tot waarom de Ferrari en de Red Bull autos (SF-71H en RB14) het hebben. Is dit waarom ze zo enorm veel downforce (DF) hebben? Ja en nee, een high-rake auto heeft veel DF maar da's niet alleen inherent aan dit concept. De Mercedes W09 heeft erg weinig rake, maar dat maakt het niet direct een slechte auto of een auto met een hoge lift/drag ration.

Dit is rake, de hoek van de 'vloer' met het asfalt:
http://www.formula1-dictionary.net/Images/rake_angle_compare.jpg

Zoals in veel dingen in engineering is er meer dan 1 oplossing voor een 'probleem'. Het probleem hierbij is de beste manier te vinden om DF te produceren tegen weinig drag en binnen de huidige technische regels te blijven. Bij Red Bull hebben we Adrian Newey, bij Mercedes hebben we Aldo Costa en Ferrari heeft Binotto. Allemaal erg goede designers en doen uiteindelijk niet aan elkaar onder.

Voordelen van high-rake:
- Meer DF. Door de rake angle wordt het volume onder de vloer groter, en ook heeft de vloer een nog extremere driehoeksvorm. Hierdoor wordt de hele vloer een grote diffuser.
- Met een zachtere achterophanging kan de staart onder hoge belasting (hoge snelheid) inzakken, waardoor de hoek van de achtervleugel kleiner wordt en dus minder drag heeft. Een zachtere achterwielophanging heeft de potentie voor meer tractie en langere levensduur van de banden.

Dus, so far so good. Waarom heeft iedereen het dan niet?
Het heeft ook nuances en nadelen:
- Er zijn veel vortices (meervoud van vortex) nodig om de zijkanten van de vloer goed af te sluiten. Zodra er lucht uit of in gaat lekken, gaat de efficientie van de diffuser omlaag. Het creeren van deze vortices is de taak van de voorvleugel, bargeboards en alle slotjes en gaten in de vloer zelf. De kracht van deze vortices hangt vaak af van de snelheid, 'yaw' (doorgaan van een bocht) en wat er voor je rijdt. Zodra deze vortices wegvallen, verlies je ook een boel DF.
- Met meer rake ligt de vloer verder van de grond af, waardoor het zgn ground effect minder wordt
- De grote ruimte moet gevuld worden. Met geen EBD (exhaust blown diffuser) meer, moeten er meer vortices naar de vloer gaan en dat kost energie (drag)
- Hoger zwaartepunt achterin
- Door de hele auto onder een hoek te zeggen wordt het frontale oppervlak groter. Elders kun je wel aerodynamische voordelen eruit halen, bv doordat de airbox voor de motor hoger ligt in relatie tot de Halo.
- De voorvleugel ligt dichter bij de grond, waardoor deze meer ground effect kan hebben maar ook gevoeliger is. Dat betekent, meer elementen nodig (McLaren heeft er 8, Mercedes maar 5) en minder 'piek' downforce.
- Zachtere achterophanging betekent meer 'duiken' en 'rollen' van de auto onder belasting (bochten, remmen) waardoor de gevoeligheid van de aerodynamica toeneemt.

Wat mij betreft (als een fan van zowel de Ferrari als de McLaren) is een auto met veel rake niet dť oplossing maar slechts een oplossing. De auto van Mercedes is een prima auto zonder dat deze veel rake heeft.

Tot slot en de toekomst

We vieren dit jaar de 50e verjaardag van de gevleugelde F1 auto en we hebben in een halve eeuw veel ideeŽn gezien, van de beroemde fan cars, tot de knotsgekke 2008 bolides en van de simpele autos met enorme venturi tunnels eronder tot de complexe machines waar we vandaag de dag naar mogen kijken.

Ik hoop dat ik met deze blog een klein inzicht heb kunnen geven waarom een F1 auto eruit ziet zoals deze eruit ziet. Het is geen complete technische analyse; daar moet ik een boek over schrijven en daar heb ik de kennis niet voor. Mochten er nog vragen zijn, stel ze gerust, hier of in het algemene F1 topic: [F1] Seizoen 2018 - deel 2

We gaan volgend jaar weer een kleine evolutie zien van de spelregels met betrekking tot de aero. Tegenwoordig is de turbulentie achter de autos te groot om dicht erachter te kunnen racen; de aero doet z'n werk niet goed als er 'rommelige' lucht op komt. De aero zal zowel vooraan als achteraan versimpeld worden. F1 legt het hier zelf uit --> https://www.youtube.com/watch?v=YkmjvJBqWWA

referenties, bronnen en leesvoer:
https://www.f1technical.n.../viewtopic.php?f=6&t=8250
https://www.racefans.net/2007/06/07/banned-ground-effects/
https://www.f1technical.n...viewtopic.php?f=6&t=23240
https://www.f1technical.n...hp?f=12&t=27059&start=945
http://www.formula1-dictionary.net/rake_angle.html

Chainbear Aero triologie:
https://www.youtube.com/watch?v=ZFEzMKYjShc
https://www.youtube.com/watch?v=r5pFyBHO8Fk
https://www.youtube.com/watch?v=WOZgEvJbnlc

Willem Toet lectures (aanrader!!)
https://www.youtube.com/watch?v=4eHtaa-Z8jI
https://www.youtube.com/watch?v=Zkqr8oit-Os

Reacties


Door Tweakers user Jasphur, vrijdag 10 augustus 2018 13:44

Lekker man. Top!

Door Tweakers user iichel, vrijdag 10 augustus 2018 13:44

At your service. Jij wou graag nog een keertje iets over suspensions en setups?

Door Tweakers user masauri, vrijdag 10 augustus 2018 15:55

aangenaam om te lezen, de eerste blog over de banden had ik gemist maar die gaat er nu ook aan geloven :p

Door Tweakers user eMCeeģ, vrijdag 10 augustus 2018 17:58

Goed geschreven en een goede uitleg.

Door Tweakers user ybos, zaterdag 11 augustus 2018 09:05

Heb weinig met de F1 (kijk het nooit) maar vind dit reuze interessant om te lezen, goed gedaan

Aan de hand hiervan het deel over banden ook gelezen, leuk leesvoer :Y

[Reactie gewijzigd op zaterdag 11 augustus 2018 09:15]


Door Tweakers user Kassad, zaterdag 11 augustus 2018 11:23

Very Nice iichel! Leuk ook de referenties aan het einde.

Door Tweakers user SinergyX, zondag 12 augustus 2018 02:49

https://www.youtube.com/watch?v=gvDerbIU-uY
Dit is trouwens een leuk thuis project om te doen, hoe het diffuser effect precies werkt, een kraan, een plaat en een lepel :)

Door Tweakers user anessie, zondag 12 augustus 2018 03:21

Waar is die upvote knop _/-\o_

Om te kunnen reageren moet je ingelogd zijn. Via deze link kun je inloggen als je al geregistreerd bent. Indien je nog geen account hebt kun je er hier ťťn aanmaken.