A következő téma, amivel a TDK dolgozatokat bemutató sorozatunkban foglalkozunk, bizonyára sokak érdeklődését felkeltheti. A hallgatók nem kisebb feladatot, mint egy Forma-1-es versenyautó első szárnyának megtervezését és áramlástani optimalizációját vállalták, sikerrel. Alább olvashatnak arról, milyen sok és apró részletre kell odafigyelni a tervezői munka során.
A dolgozat a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem által szervezett, 2011. évi Tudományos Diákköri Konferencián szerepelt sikeresen.
Szerzők: Kurdi Péter és Ivády Dániel Bence
Konzulensek: Lukács Eszter – tudományos segédmunkatárs, Gulyás András – tanszéki mérnök, valamint Nagy László – egyetemi tanársegéd (BME Áramlástan Tanszék)
A Mercedes GP 2011-es gépe
A Forma-1 immár több mint 60 éve a legmagasabb technikai színvonalú versenysport, melyet valamilyen szinten mindenki ismer, és rengeteg rajongója van idehaza is. Nincs ez másként a mérnökök között sem, akiket általában – egy hétköznapi szurkolótól eltérően – az apró műszaki részletek és trükkök legalább annyira érdekelnek, mint a látványos futamok. A téma tehát a királykategória iránti rajongásunkból született és az Áramlástan Tanszéken sikerült szakmai támogatást találnunk a projekthez. A TDK dolgozat célja egy Forma-1-es versenyautó első légterelő- és orrgeometriájának megtervezése volt, az FIA (Nemzetközi Automobil Szövetség) 2011-es versenyszabályzatának megfelelően, tisztán áramlástani szempontok alapján.
Különböző Forma1-es orrkúp-kialakítások
A feladatot az első szárny felépítéséből adódóan két, jól elkülöníthető részre osztottuk: az első légterelőt Kurdi Péter, míg az orrkúpot Ivády Dániel Bence tervezte. A két elem tervezése gyakorlatilag független volt egymástól. A tervezési folyamat mindkét esetben irodalomkutatással kezdődött. A forrásgyűjtés során felhalmozott tapasztalatok alapján többféle koncepciót is megvizsgáltunk, illetve létrehoztunk. A legjobb megoldásokat 2D áramlástani szimuláció segítségével elemeztük, majd levontuk a tanulságokat. A tervezés során olyan szoftverekkel dolgoztunk, melyeket a Forma-1-es csapatok többsége is használ. A geometria létrehozása AutoCAD, illetve Inventor tervezőprogramban történt. A numerikus szimulációkat az ANSYS programcsomaggal végeztük el: a numerikus hálók ICEM-ben és Workbench-ben készültek, a szimulációkat FLUENT-ben futtattuk, végül a kiértékelés CFD Post-ban történt. Munkánk jellegét tekintve eltér az általános értelemben vett tudományos kutatástól, mivel nem létezik egzakt matematikai formula az áramlástani szempontból ideális első szárnyra vonatkozólag. Mi sem bizonyítja ezt jobban, minthogy a Forma-1-es csapatok is folyamatosan új konstrukciókkal kísérleteznek a számítógépen (CFD), a szélcsatornában, vagy akár a versenypályán. A jelenlegi versenyautókat tekintve a diffúzor és az első szárny az aerodinamika legfontosabb elemei, éppen ezért – vagy talán ennek ellenére – csapatonként ez a legeltérőbb alkatrész.
A Forma-1-es autók első légterelője alapvetően szárnyakból áll, melyek működése az egyedülálló szárnyprofil elméleti hátterére vezethető vissza. A versenysportban a leszorítóerő maximalizálása és az ellenálláserő minimalizálása a legfőbb szempont a versenyautó aerodinamikájának tervezésekor. A mérnökök gyakran hasonlítják a Forma-1-es autót egy alacsonyan, fejjel lefelé haladó repülőgéphez, mivel áramlástani szempontból pontosan erről van szó.
Végeselemes háló a szárny körül
A mai Forma1-es autók aerodinamikája rendkívül hatékony, szinte odaragasztja a versenyautót az aszfalthoz. Ezt leginkább Ross Brawn (a Mercedes GP csapatfőnöke, korábbi tervezőmérnök) nyilatkozata érzékelteti: „…valójában az aerodinamika akkora leszorítóerőt termel, hogy akár fejre is fordíthatnánk a pályát 175 km/h-ás sebességnél, és az autó mégis az úton maradna.” Becslések szerint az első légterelő 1500-1600 N leszorítóerővel veszi ki a részét ebből a hihetetlen teljesítményből. Lényegében ez volt az egyetlen referencia a valós adatokhoz képest, mivel a Forma-1-es értékeket szigorúan titkos adatként kezelik a csapatok.
Az első légterelő koncepciója a Forma-1-ben legelterjedtebb kialakításból indult, vagyis a kétfedeles szárnyakból. A belépő profil 0°, míg az utóterelő általában 30°-os szögben áll a vízszintes úthoz képest. A szimulálni kívánt profiltípusok kiválasztása az UIUC több mint 1500 szárnyprofilt tartalmazó adatbázisából történt. Végül négy, lényegesen eltérő profil került kiválasztásra, és mindkét szögállásban leszimulálva 175 km/h-s légsebességnél. A felhajtó- és ellenálláserőn kívül a nyomás-, sebesség- és turbulencia-eloszlás is fontos szempont volt. Az egyedülálló szárny szimulációkat követően a két különböző szögállásban legkedvezőbb mutatókkal rendelkező profil összeállításban is végeztünk vizsgálatokat.
Az első szárny főbb szakaszai
Ha végignézzük az első szárnyat, akkor keresztmetszetét tekintve alapvetően három részt különböztethetünk meg: a szárny középső része (ahol csupán az alsó, merevítő profil fut), a szárny szélső harmada (ahol már a döntött utóterelőlap is megjelenik), végül a szélső harmad azon része, amely mögött szorosan ott van az első kerék is. Így tehát három különböző konfigurációt vizsgáltunk, a talaj relatív mozgó és az első kerék forgó hatását egyaránt figyelembe véve. Ezután a véglapokat tekintve többféle lényegesen eltérő kialakítást vizsgáltunk. A szimulációs eredmények alapján kiválasztottuk a lehető legjobb megoldást, mely eltereli a kerekek körül az áramlást, és megakadályozza a profilvégeken a leválást, így csökkentve a légellenállást.
Áramvonalak a szárnyak és a kerék körül
A 2D szimuláció természetesen jelentős korlátokat, ezáltal elhanyagolásokat jelentett, ám első közelítésnek megfelelő volt. Végeredményben egy körülbelül 1400 Newton leszorítóerőt generáló légterelőt sikerült előállítani, amely meglehetősen közel esik a valóságban tapasztalt 1500-1600 Newton értékhez. Sőt, kifejezetten jó eredménynek számít, hiszen ezt mindenféle kiegészítőszárnyak nélkül értük el, ráadásul a 2D szimuláció jellegéből adódóan alábecsülte a leszorítóerőt, mivel a kerék előtt úgymond feltorlódott a közeg, nem volt módja megkerülni azt.
Az orrkúp-geometria kialakításánál az volt a vezérelv, hogy áramvonalas testet kapjunk, vagyis minél kisebb ellenállást okozzon az áramlásban. Az alakzatok elkészítéséhez a 2011-es Forma-1 tervezési szabályzatot kellett elemezni. A szabályok főleg keresztmetszeti és különböző vetített nézetek területét korlátozták, egyes szekciókban szimmetriát írtak elő. Mivel azonban kizárólag 2D-ben szimuláltunk, ezért szinte szabadon tervezhettük a geometriát. Fogódzót a valóságban létező kialakítások jelentettek számunkra. Tipikus áramvonalas kialakítás a hosszú elvékonyodó ellipszis profil, mely jellemző a Forma1-ben is. A TDK során három különböző koncepciót vizsgáltunk. Az első változat egy teljesen szimmetrikus ellipszis profil, a második egy emelt keskenyedő (hegyes) kialakítás, és végül egy ívesebb (horgas) geometria.
3D első légterelő modell
Először is egy nagyon precíz hálófüggetlenségi vizsgálatot végeztünk el a szimmetrikus változaton. Ezután, a validált numerikus hálóval futtattuk le a szimulációt minden konfigurációra, 175 km/h-ás relatív szélsebességgel. A kiértékelés és összehasonlítás során figyelembe vettük a felhajtó- és ellenálláserőt, a turbulencia-eloszlást, valamint az orrkúp és a talaj között kialakuló áramképet. Utóbbi rendkívül fontos, hiszen az orrkúp alól a diffúzor felé áramlik a levegő, melynek sebessége és egyenletessége kritikus a diffúzorhatásfok szempontjából. Pusztán az orrkúpot tekintve a teljesen szimmetrikus kialakítás bizonyult a legjobbnak, hiszen erre hat a legkisebb ellenálláserő és kizárólag ennél a verziónál nem keletkezik felhajtóerő. Viszont a keskenyedő (hegyes) orrkúp biztosította a legnagyobb térfogatáramot a diffúzor felé, így mindenképpen ez a legoptimálisabb megoldás.
Első szárny részlete
Végül készítettünk egy 3D-s geometriai modellt, hogy érzékeltessük, miként nézne ki a valóságban az általunk megtervezett első légterelő és orrkúp összeszerelve.
A téma rengeteg továbblépési lehetőséget kínál. Először is természetesen egy 3D szimulációt a végleges összeállítással, ám ezt sajnos idő- és erőforrás hiányában nem tudtuk elvállalni. Ezen kívül érdekes lenne leszimulálni a szárnyakat a teljes sebességtartományon, az utóterelő szárny valamennyi lehetséges szögállásában. Így már következtetni lehetne a légterelő menetdinamikai tulajdonságaira és az optimális szárnybeállításra adott pályatípus esetén. Egy komplett autómodell figyelembe vételével lehetségessé válna az áramlás pontos megtervezése, így például a levegő elterelése kiegészítő elemekkel a fék- és motorhűtő légbeömlők irányába. Végül pedig – továbblépve a megvalósítás felé – szükséges volna egy 3D kapcsolt áramlástani-mechanikai szimuláció elvégzése a dinamikus teherbírás ellenőrzése céljából.
Írta:
Kurdi Péter
(A korábbi, reverse engineering témájú TDK dolgozatról szóló cikkünk ITT, az Y-elágazás geometriai optimalizációjáról szóló pedig ITT érhető el.)