Modellierung von Drag Reduction Systems für den Motorsport mit CFD

In der Automobilindustrie wird intensiv an Innovationen für umweltfreundlichere Autos gearbeitet, insbesondere durch den Einsatz von Technologien wie Elektromotoren, autonomen Fahrsystemen und aktiver Aerodynamik. Aktive Aerodynamik-Systeme verbessern das Handling und die Stabilität, erhöhen die Kraftstoffeffizienz und optimieren die Kühlung (Refs. 1–3). Eine besondere Anwendung der aktiven Aerodynamik findet sich im Rennsport der Formel 1^®, wo das sogenannte Drag Reduction System (DRS) zu noch spannenderen Rennen geführt hat. In diesem Blog-Beitrag untersuchen wir die Auswirkungen des DRS auf den Luftwiderstand und den Abtrieb eines Fahrzeugs anhand eines einfachen Modells, das mit der Software COMSOL Multiphysics^® erstellt wurde.

Aktive Aerodynamik in Fahrzeugen

Automobilingenieure arbeiten seit langem daran, die Effizienz, Geschwindigkeit und Stabilität von Fahrzeugen durch Feinabstimmung der Aerodynamik zu verbessern. Die beiden wichtigsten aerodynamischen Messgrößen bei einem Fahrzeug sind der Luftwiderstand und der Abtrieb. Der Luftwiderstand ist eine Widerstandskraft, die der Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs entgegenwirkt und dessen Geschwindigkeit und Kraftstoffeffizienz verringert, während der Abtrieb, auch Anpressdruck, eine vertikale Kraft ist, die die Traktion erhöht, indem sie das Fahrzeug in Richtung Boden drückt und so dessen Stabilität und Fahrverhalten verbessert. Obwohl Abtrieb im Allgemeinen wünschenswert ist, erhöht seine Erzeugung oft den Luftwiderstand, wodurch ein Trade-off zwischen Geschwindigkeit und Stabilität entsteht, den Entwickler ausgleichen müssen, um eine Nettoverbesserung der Geschwindigkeit, des Fahrverhaltens und der Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs zu erzielen.

Die aktive Aerodynamik hat das Automobildesign revolutioniert, indem sie eine Möglichkeit bietet, Komponenten dynamisch zu bewegen, um den Luftwiderstand und den Abtrieb in Echtzeit zu optimieren und ein verbessertes und reaktionsschnelleres Fahrerlebnis zu bieten. Im Gegensatz zu herkömmlichen passiven aerodynamischen Designs, bei denen feste Komponenten zum Einsatz kommen, verfügt die aktive Aerodynamik über Elemente wie Flügel, Klappen und Lüftungsschlitze, die ihre Position und Form verändern können. Bei straßenzugelassenen Fahrzeugen werden die Anpassungen vom Bordcomputer des Fahrzeugs gesteuert, der Echtzeitdaten verwendet, um die Elemente je nach Fahrbedingungen zu verändern.

Der Heckflügel des Bugatti Veyron^® wird bei hohen Geschwindigkeiten angehoben, um mehr Abtrieb zu erzeugen. Bild gemeinfrei über Wikimedia Commons.

Der Porsche^® 959 war das erste straßenzugelassene Auto, das mit aktiver Aerodynamik ausgestattet war, als es 1986 auf den Markt kam. Die Technologie erregte bald Aufmerksamkeit und war ausschlaggebend für das Design und die Leistung von Hochleistungsautos wie dem Bugatti Veyron^®, dem Mitsubishi^® 3000GT und dem Pagani Huayra^®. Heutzutage ist aktive Aerodynamik bei vielen straßenzugelassenen Autos zu finden, auch um die Kraftstoffeffizienz zu steigern. Autos können mit verschiedenen aktiven aerodynamischen Features ausgestattet sein, darunter:

• Ein verstellbarer Heckflügel, der je nach Geschwindigkeit und Fahrmodus angehoben und im Winkel verändert werden kann, um die Kraftstoffeffizienz auszugleichen, die Leistung zu verbessern und als Luftbremse zu fungieren (Ref. 1)
• Ein verstellbarer Frontsplitter für verbessertes Fahrverhalten (Ref. 1)
• Aktive Luftklappen im Kühlergrill, die sich je nach Kühlbedarf des Motors öffnen oder schließen und so den Luftwiderstand verringern, wenn keine Kühlung erforderlich ist (Ref. 2)

Ein weiteres Beispiel für innovative aktive Aerodynamik ist das Drag Reduction System (DRS), das in einer der spannendsten Hochleistungssportarten der Gegenwart zum Einsatz kommt – der Formel 1.

Der Große Preis von Malaysia 2015. Bild verfügbar unter Wikimedia Commons, lizenziert unter der Lizenz Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International.

DRS im Motorsport

Das DRS gilt als aktives aerodynamisches System, da es Echtzeitanpassungen an den aerodynamischen Elementen eines Formel-1-Wagens vornimmt. Anders als bei den zuvor erwähnten straßenzugelassenen Autos bietet das DRS bei Formel-1-Wagen dem Fahrer direkte Kontrolle über das System.

Im Motorsport soll das DRS den Luftwiderstand bei der Verfolgung von Rennwagen verringern, um Überholmöglichkeiten während des Rennens zu erleichtern. Durch die Reduzierung des Luftwiderstands ermöglicht das DRS den Fahrzeugen, auf dafür vorgesehenen geraden Streckenabschnitten einen erheblichen Geschwindigkeitsvorteil zu erzielen, wodurch es einfacher wird, das vorausfahrende Fahrzeug zu überholen. Dies führt zu Rennen, die von vielen als spannender und dynamischer empfunden werden. Daher ist das DRS zu einem wichtigen strategischen und taktischen Element bei Rennen des Grand Prix^™ geworden.

Ein verstellbarer Heckflügel in einem von Red Bull gesponserten Formel-1-Rennwagen. Bild verfügbar über Wikimedia Commons, lizenziert unter der Lizenz Creative Commons Attribution 2.0 Generic.

Das Kernelement des DRS ist der verstellbare Flügel, den wir hier als „DRS-Klappe“ bezeichnen. Die DRS-Klappe kann zwischen zwei Positionen schwenken, eine für hohen Abtrieb und eine für geringen Luftwiderstand. Bei Aktivierung hebt sich die DRS-Klappe, um den Anstellwinkel zu verringern, also den Winkel zwischen der Sehnenlinie und dem anströmenden Luftstrom oder der Flugbahn des Wagens. Durch diese Änderung wird der vom Flügel erzeugte Abtrieb verringert, was wiederum den Luftwiderstand reduziert. Durch den geringeren Luftwiderstand kann das Fahrzeug auf geraden Strecken höhere Geschwindigkeiten erreichen. Motorsportingenieure schätzen, dass die Geschwindigkeit während des DRS-Betriebs um 10–12 km/h (6,2–7,5 mph) steigt.

Das DRS ist nur für die Verwendung auf dafür vorgesehenen geraden Strecken ausgelegt, auf denen Überholen am besten möglich ist. Dies liegt daran, dass der reduzierte Abtrieb auch einen geringeren Grip und damit eine geringere Stabilität des Fahrzeugs zur Folge hat, was das Fahren in Kurven sehr unsicher macht. Wenn ein Fahrer eine DRS-Zone verlässt und das System deaktiviert, senkt sich die DRS-Klappe und der normale Luftwiderstand und Abtrieb werden wiederhergestellt, um die Bodenhaftung des Fahrzeugs zu verbessern.

Der Anstellwinkel eines Flügels, der eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des von ihm erzeugten Luftwiderstands spielt.

Modellierung der Auswirkungen des DRS

Beim Automobildesign kann CFD (Computational Fluid Dynamics) zur Simulation und Analyse der Luftströmung um ein Fahrzeug herum eingesetzt werden, um die Auswirkungen von Änderungen am Fahrzeugdesign auf die aerodynamische Leistung vorherzusagen. Die CFD-Modellierung ist besonders vorteilhaft, da sie zur Visualisierung des Luftströmungsmusters, zur Bewertung der aerodynamischen Kräfte auf verschiedene Teile des Fahrzeugs und zur Optimierung der Designparameter eingesetzt werden kann, wobei gleichzeitig die Kosten und der Zeitaufwand vermieden werden, die mit teuren Trial-and-Error-Verfahren verbunden sind. Die CFD-Modellierung ist nicht nur beim Design aktiver aerodynamischer Komponenten, sondern auch bei mehreren anderen Aspekten der Automobilherstellung zu einem entscheidenden Schritt geworden.

Nun wollen wir uns mit dem Bau eines einfachen Modells einer DRS-Klappe in COMSOL Multiphysics^® befassen, um einen verstellbaren Heckflügel zu modellieren, wie er bei Formel-1-Rennwagen zum Einsatz kommt. Unser Ziel ist hierbei, die Veränderung des Luftwiderstands und des Abtriebs am Heckflügel während des DRS-Betriebs anhand von Messwerten zu untersuchen, um ein besseres Verständnis für die Physik hinter den spannenden Überholmanövern zu erhalten.

Eine typische Heckflügelbaugruppe in einem Formel-1-Wagen besteht aus zwei Flügeln, die sich über die gesamte Breite des Wagens erstrecken. An den Seiten der Flügel sind vertikale Endplatten angebracht, um den Luftstrom zu steuern und den durch Wirbel an den Flügelspitzen verursachten Luftwiderstand zu verringern. In unserem Modell betrachten wir der Einfachheit halber einen 2D-Querschnitt einer Heckflügelbaugruppe. Dadurch können wir die Endplatten ignorieren und die Querschnittsgeometrie der beiden Flügel betrachten. Wir bezeichnen den oberen Flügel als „DRS-Klappe“ und den unteren Flügel als „Hauptklappe“. (Nur der obere Flügel ist verstellbar.) Für beide Flügel wird ein NACA-6409-Profil verwendet. Das NACA-6409-Profil entspricht zwar nicht genau dem Heckflügel eines Formel-1-Wagens, doch dieses Modell soll lediglich die Auswirkungen einer verstellbaren Klappe auf den Luftwiderstand und den Abtrieb veranschaulichen. Am hinteren Ende der DRS-Klappe ist ein Gurney Flap befestigt, der in der Regel verwendet wird, um den Abtrieb zu erhöhen, ohne den Luftwiderstand wesentlich zu erhöhen. Es wird davon ausgegangen, dass die Flügel vollkommen starr sind.

Numerischer Aufbau des Modells, bestehend aus zwei NACA 6409-Profilen. Am linken bzw. rechten Rand sind ein Einlass und ein Auslass definiert. Der obere und untere Rand sind durch die offene Randbedingung bzw. die Gleitwandbedingung definiert.

Das Interface Moving Mesh in COMSOL^® wird verwendet, um die Betätigung der DRS-Klappe so zu modellieren, dass sie sich nicht mehr als 85 mm von der Hauptklappe abhebt. Dies entspricht der Formel-1-Vorschrift, nach der sich die DRS-Klappe maximal 85 mm von der Hauptklappe abheben darf. Das Interface Turbulent Flow, k-ε wird zur Berechnung des Luftstroms in dem Gebiet verwendet. Da wir den Referenzrahmen am Heckflügel festmachen, wird eine Einlassgeschwindigkeit von 90 m/s definiert, um ein Rennauto zu modellieren, das mit 201 mph auf einer Rennstrecke fährt. Um das stationäre Strömungsprofil bei inaktivem DRS, also bei heruntergeklappter DRS-Klappe, zu ermitteln, wird eine stationäre Studie berechnet. Anschließend wird eine zeitabhängige Studie durchgeführt, um die transienten Effekte der verstellbaren Klappe zu simulieren.

Extrahieren der Metriken

Der Luftwiderstandskoeffizient ist eine dimensionslose Zahl, die den Luftwiderstand oder Widerstand misst, den ein Objekt erfährt, wenn es sich durch ein Fluid bewegt. Er gibt an, wie reibungslos das Fluid (in unserem Fall Luft) um das Objekt herumfließt, wobei ein niedrigerer Koeffizient in der Regel auf einen geringeren Luftwiderstand und eine bessere aerodynamische Effizienz hinweist. Der Luftwiderstandskoeffizient, C_d, kann formuliert werden als

wobei \rho die Dichte des Fluids, U_0 der Geschwindigkeitsbetrag, F_x die x-Komponente der Kraft auf die Flügel und A der Querschnitt der Flügel ist, der formuliert werden kann als

und

wobei \tau_w = \rho u_\tau^2 die Schubspannung an der Wand und \bf{u}_t die Tangentialgeschwindigkeit ist. Die Oberflächenintegrationen werden über die Ränder der Flügel durchgeführt.

Der Abtrieb kann aus der vertikalen Komponente des Traktionsvektors \tau_y mithilfe des folgenden Ausdrucks berechnet werden:

Simulationsergebnisse

Die folgenden Animationen zeigen verschiedene Messwerte während des DRS-Einsatzes. Für diesen Blog-Beitrag wird das DRS zwei Sekunden nach Beginn der Studie aktiviert und ist dann etwa drei Sekunden lang aktiv. Der Zeitpunkt des Einsatzes ist in unserem Modell etwas willkürlich, ähnelt aber stark einem echten DRS-Manöver in einem Rennen.

Animation A zeigt, wie sich das Netz mit der Bewegung der DRS-Klappe verformt. Der Plot zeigt, wie weit sich die DRS-Klappe von der Hauptklappe abhebt. Eine Drehung der DRS-Klappe um 19,5° entspricht einer Abhebung von 84 mm von der Hauptklappe, was innerhalb der Vorschriften liegt.

Animation A: Die Simulationsergebnisse zeigen die Verformung der Netzelemente, die mit dem Interface Moving Mesh modelliert wurden (links), und die Position der DRS-Klappe im Verhältnis zur Hauptklappe (rechts).

Animation B zeigt die Stromlinien der Geschwindigkeit während des DRS-Betriebs. Der Plot zeigt, dass die maximale Luftgeschwindigkeit bei aktivem DRS geringer ist. Dies sollte nicht mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs verwechselt werden, die bei angehobener Klappe höher ist.

Animation B: Die Simulationsergebnisse zeigen das Geschwindigkeitsprofil und die Stromlinien (links) und die maximale Geschwindigkeit im Gebiet (rechts).

Animation C zeigt, dass der Luftwiderstandskoeffizient des Heckflügels bei Aktivierung des DRS um bis zu 27,1 % abnimmt. Der Abtrieb an der Klappe ist ebenfalls im Plot dargestellt und zeigt eine Abnahme um bis zu 23,6 % bei Aktivierung des DRS.

Animation C: Die Simulationsergebnisse zeigen den Luftwiderstandskoeffizienten und den Abtrieb während des DRS-Betriebs.

Obwohl diese Ergebnisse von einem Modell mit einer willkürlichen Geometrie stammen, kann die reale Anwendung des DRS erhebliche Auswirkungen auf den Luftwiderstand haben. So kann das DRS bei Fahrzeugen des Wettbewerbs Formula Student den Luftwiderstand um bis zu 78 % reduzieren (Ref. 4). Diese Reduzierung kann je nach Geschwindigkeit des Fahrzeugs, der aerodynamischen Auslegung, dem spezifischen DRS-Design und der Streckenführung variieren.

Zusammenfassung der Vorteile der Modellierung

Aktive Aerodynamik bietet erhebliche Vorteile für Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge und hat auch bei straßenzugelassenen Fahrzeugen an Beliebtheit gewonnen. Das hier vorgestellte Modell veranschaulicht die Auswirkungen einer verstellbaren Klappe auf Luftwiderstand und Abtrieb anhand einer einfachen 2D-Querschnittsdarstellung der Heckflügelbaugruppe eines Rennwagens. Solche einfachen Modelle können das Verständnis der Prinzipien von CFD fördern und die spannenden Anwendungen der Aerodynamik veranschaulichen. Der hier vorgestellte Modellaufbau kann auch erweitert werden, um mithilfe der Multiphysik-Kopplung Fluid-Structure Interaction in COMSOL^® die strukturelle Verformung der Klappen als Reaktion auf Druckspannungen zu modellieren.

Untersuchung der Aerodynamik eines Autos mithilfe eines COMSOL-Modells.

Probieren Sie es selbst aus

Um die Auswirkungen einer verstellbaren Klappe auf Luftwiderstand und Abtrieb zu untersuchen, klicken Sie auf die Schaltfläche unten! Über die Schaltfläche gelangen Sie zu dem Modell, das zu diesem Blog-Beitrag gehört.

Referenzen

1. J. Piechna, “A Review of Active Aerodynamic Systems for Road Vehicles,” Energies, 2021.
2. C. Pfeifer, “Evolution of active grille shutters,” SAE Technical Paper, 2014.
3. W. Yu and G. Wei, “A Review of the influence of active aerodynamic tail on vehicle handling stability,” Journal of Physics: Conference Series, 2021.
4. R. Loução, D. Gonçalo, and M. Mendes, “Aerodynamic study of a drag reduction system and its actuation system for a formula student competition car,” Fluids, 2022.
5. J. Noble, “How F1’s new active aero will work in 2026,” Autosport, 2024.

Mehr lernen

Weitere Informationen zu einigen der hier behandelten Themen finden Sie in diesen Artikeln im COMSOL-Blog:

• Studying the Airflow Over a Car Using an Ahmed Body
• Simulation der Windlast auf Seitentür und Spiegel eines Sportwagens
• Wie berechne ich Auftrieb und Strömungswiderstand?
• Optimize NACA Airfoil Designs with a Simulation App

Die in diesem Artikel vorgestellten Informationen sind für die Motorsportsaison 2024 relevant. Das DRS in der Formel 1 soll 2026 durch ein umfassenderes aktives Aerodynamiksystem ersetzt werden, das dynamischere Anpassungen ermöglicht (Ref. 5). Der Formel-1-Rennsport ist ein sich ständig verändernder und innovativer Sport, und die hier besprochenen Technologien könnten in Zukunft veraltet sein. Der Artikel soll die Leistungsfähigkeit von Simulationen beim Verständnis der Prinzipien der Aerodynamik demonstrieren und nicht als Leitfaden für die Regeln des Motorsports dienen. Formel 1 ist eine eingetragene Marke und Grand Prix ist eine nicht eingetragene Marke von Formula One Licensing B.V. Bugatti und Veyron sind eingetragene Marken von Bugatti International S.A. Huayra ist eine eingetragene Marke von PAGANI S.p.A. Mitsubishi ist eine eingetragene Marke von MITSUBISHI JUKOGYO KABUSHIKI KAISHA. Porsche ist eine eingetragene Marke der Dr. Ing. h.c. F. Porsche Aktiengesellschaft.