Diese Arbeit befasst sich mit der aerodynamischen Auslegung eines Heckflügels für den Formula-Student-Rennwagen "Edge 13" des TU Wien Racing Teams. Die Entwicklung stützt sich aufgrund der begrenzten Validierungsmöglichkeiten ausschließlich auf Strömungssimulationen. Ziel ist es, den vom Heckflügel erzeugten Abtrieb im Vergleich zum bisherigen Design um mindestens 15 % zu erhöhen und die optimale aerodynamische Balance beizubehalten. Aufgrund der durch andere Komponenten stark beeinflussten Luftströmung im Heckbereich wird der vom Reglement vorgegebene Entwicklungsraum zunächst einer Strömungsanalyse unterzogen.
Dabei wird festgestellt, dass die Luftströmung auf Höhe des Unterbodens für Abtriebserzeugung ungünstig ist, weshalb der Entwurfsraum auf den oberen Bereich beschränkt wird. Das Hauptaugenmerk liegt angesichts der Streckencharakteristik der Formula-Student auf mehrteiligen Flügelkonfigurationen. Die Entwicklung fängt mit der Auswahl von möglichen Flügelprofilen und dem Entwurf des Hauptflügels an. Anschließend wird der Hauptflügel zu einer 2-Klappen- und einer 3-Klappen-Konfiguration erweitert, wobei der Schwerpunkt der Entwicklung neben der Abtriebserzeugung auf der Vermeidung einer frühzeitigen Strömungsablösung liegt.
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
1.1 Kontext, Motivation und Problemstellung
1.1.1 Rolle der Aerodynamik im Motorsport
1.1.2 Charakteristik der Formula-Student-Disziplinen
1.1.3 Einfluss der Charakteristik der Disziplinen auf die Aerodynamik
1.1.4 Widerstandsreduzierende Elemente
1.2 Zielsetzung
1.3 Vorgehensweise / Methodik
1.4 Struktur
2 Mechanismen und Prinzipien der Fahrzeug-Aerodynamik
2.1 Fluide
2.1.1 Kompressibilität
2.1.2 Art der Strömung
2.1.3 Thermische Instabilität
2.1.4 Viskosität
2.2 Erhaltungsgesetze in der Strömungsmechanik
2.2.1 Massenerhaltungsgesetz
2.2.2 Bernoulli-Gleichung
2.3 Flügel
2.3.1 Funktionsweise eines Flügels
2.3.2 Nennmaße eines Flügels
2.3.3 Grenzschichttheorie
2.3.4 Aerodynamische Kennwerte
2.3.5 Multi-Element-Flügel
2.4 Fahrzeug-Aerodynamik
2.4.1 Endplatte
2.4.2 Gurney-Klappe
2.4.3 Aerodynamische Balance
2.4.4 Widerstandsreduzierende Elemente
3 Numerische Strömungssimulation
3.1 Methodik zur Erstellung der numerischen Simulation
3.2 Festlegung der Grundgleichung
3.2.1 Lösungsmethoden der Navier-Stokes-Gleichungen
3.2.2 Turbulenzmodelle
3.3 Numerische Methode
3.4 Weitere Randbedingungen
3.4.1 Materialeigenschaften – Fluid
3.4.2 Terminologie
3.4.3 Bahn- und Winkelgeschwindigkeit
3.5 Simulationsbereich
3.6 Netzgenerierung
4 Entwicklung des Heckflügels
4.1 Entwicklungsablauf
4.2 Lokale und globale Performance-Ziele
4.3 Randbedingungen und Einflussfaktoren
4.3.1 Formula Student Reglement
4.3.2 Fertigungstoleranz
4.3.3 Einflussfaktoren auf den Luftstrom am Heck des Rennwagens
4.3.4 Einschränkung des Bauraums wegen der Befestigung des Heckflügels
4.4 Flügelprofilauswahl
4.4.1 Analyse von verschiedenen Profilcharakteristiken zur Bestimmung der Entwicklungsrichtung
4.4.2 Auswahl von möglichen Flügelprofilen
4.5 Auslegung des Hauptflügels mit den ausgewählten Flügelprofilen
4.5.1 Entwicklungsrichtung
4.5.2 Hauptflügel - Benzing 122-185
4.5.3 Hauptflügel - GOE 244
4.5.4 Hauptflügel - EPPLER 420
4.5.5 Tabellarische Zusammenfassung der Ergebnisse und Auswahl des Konzeptes
4.5.6 Optimierung der Strömung im mittleren Bereich durch Anbringung von Zickzackstreifen
4.6 CFD-Analyse von verschiedenen Multi-Element-Flügelkonzepten
4.6.1 Methodik
4.6.2 2-Klappen-Konfigurationen
4.6.3 3-Klappen-Konfigurationen
4.6.4 Tabellarische Zusammenfassung der Ergebnisse und Auswahl des Konzeptes
4.7 Ergänzung des Heckflügels mit weiteren parallelen Flügeln
4.7.1 Anbringung weiterer parallel angeordneter Flügelelemente
4.7.2 Strömungssteuernde Flügel zur Unterstützung der Strömung an der Saugseite
4.8 Auslegung von widerstandsreduzierenden Elementen
4.8.1 Louvres
4.8.2 Cutouts
4.8.3 Einlässe auf der Saugseite des Flügelprofils
4.8.4 Endplattenstreifen
4.9 Verzögerung des Druckausgleichs durch Anbringung einer Platte an der Endplatte quer zum Luftstrom
4.10 Auswertung des Heckflügelkonzeptes
5 Zusammenfassung
Zielsetzung & Forschungsschwerpunkte
Ziel dieser Masterarbeit ist die aerodynamische Auslegung eines optimierten Heckflügels für den Formula-Student-Rennwagen "Edge 13" der TU Wien Racing mittels numerischer Strömungssimulationen. Dabei soll der Abtrieb im Vergleich zum Vorgängermodell um mindestens 15 % gesteigert, das aerodynamische Gleichgewicht gewahrt und die Effizienz des Heckflügelpakets durch widerstandsreduzierende Elemente signifikant verbessert werden.
- Aerodynamische Analyse und Strömungssimulation zur optimalen Positionierung des Heckflügels.
- Vergleichende Untersuchung verschiedener mehrteiliger Flügelkonfigurationen zur Maximierung des Abtriebs.
- Analyse und Integration Formel-1-erprobter widerstandsmindernder Elemente an der Endplatte.
- Bewertung des Einflusses der Modifikationen auf das Verhältnis von Abtrieb zu Luftwiderstand (Gleitzahl).
Auszug aus dem Buch
1.1.2 Charakteristik der Formula-Student-Disziplinen
Die Formula Student ist ein internationaler Wettbewerb für Hochschulen, bei dem studentische Teams mit selbst entwickelten einsitzigen Rennwagen antreten. Die Autos sind ähnlich konzipiert wie andere Formelautos, mit dem Unterschied, dass es deutlich weniger Einschränkungen durch das Reglement und damit mehr Entwicklungsfreiheit gibt. Um wettbewerbsfähig zu sein, müssen die Autos jedoch auf die Eigenschaften der einzelnen Disziplinen abgestimmt werden. [2] Die Disziplinen sind die folgenden:
Acceleration: In dieser Disziplin muss mit dem Rennwagen eine 75 Meter lange Gerade absolviert werden, wobei der Schwerpunkt auf der Beschleunigung des Autos liegt. [3]
Skid Pad: Ziel ist das Durchfahren einer 8-förmigen Strecke, wobei die Aerodynamik eine tragende Rolle spielt. [3]
Autocross: Dabei gilt es, eine 1 km lange Strecke zu bewältigen, deren Charakteristik aus kurzen Geraden und zahlreichen Kurven besteht. Die Aerodynamik spielt hier auch eine wichtige Rolle, denn eine gute Bodenhaftung in den Kurven ist von entscheidender Bedeutung. [3]
Endurance: In dieser Disziplin muss das Auto 22 km auf der Autocross-Strecke zurücklegen, um die Zuverlässigkeit des Fahrzeugs zu beweisen. [3]
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einführung: Diese Einleitung erläutert die Relevanz der Aerodynamik im Motorsport, definiert die Anforderungen der Formula Student und legt die zentralen Forschungsfragen sowie die methodische Vorgehensweise fest.
2 Mechanismen und Prinzipien der Fahrzeug-Aerodynamik: In diesem Kapitel werden die theoretischen Grundlagen der Strömungsmechanik und der Fahrzeug-Aerodynamik, wie Grenzschichttheorie und Mehr-Element-Flügeleffekte, dargelegt.
3 Numerische Strömungssimulation: Dieses Kapitel beschreibt die methodische Umsetzung der Simulationen, einschließlich der Wahl der Navier-Stokes-Lösungsmethoden und der Netzgenerierung.
4 Entwicklung des Heckflügels: Der Hauptteil der Arbeit behandelt die schrittweise Auslegung, Simulation und Optimierung verschiedener Heckflügelkonzepte und widerstandsmindernder Zusatzelemente.
5 Zusammenfassung: Hier werden alle Ergebnisse der Untersuchungen komprimiert dargestellt und die Erreichung der gesetzten Leistungsziele des Projekts final bewertet.
Schlüsselwörter
Aerodynamik, Formula Student, Heckflügel, Gleitzahl, Abtrieb, Strömungssimulation, CFD, Rennwagen, Luftwiderstand, Mehr-Element-Flügel, Endplatte, Strömungsablösung, Leistungsziele, Fahrzeugdynamik, Grenzschicht.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der aerodynamischen Entwicklung und Optimierung eines Heckflügels für den Formula-Student-Rennwagen "Edge 13" des Teams der TU Wien.
Was sind die zentralen Themenfelder der Analyse?
Die zentralen Themen umfassen die Strömungsanalyse, die Auslegung von mehrteiligen Flügelprofilen sowie die Untersuchung von widerstandsreduzierenden Elementen wie Louvres und Endplattenstreifen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Hauptziel ist eine Abtriebssteigerung des Heckflügels um mindestens 15 % sowie die Verbesserung der Gleitzahl unter Beibehaltung der aerodynamischen Balance des Fahrzeugs.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Die Entwicklung stützt sich aufgrund begrenzter Validierungsmöglichkeiten ausschließlich auf numerische Strömungssimulationen (CFD).
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die methodische Konzeption der Simulation, die Profilauswahl, die Auslegung mehrteiliger Klappenkonfigurationen und die detaillierte Optimierung strömungsbeeinflussender Elemente.
Welche Schlagwörter charakterisieren die Masterarbeit?
Die Arbeit lässt sich primär über die Begriffe Aerodynamik, Formula Student, Abtrieb, Gleitzahl und numerische Strömungssimulation definieren.
Warum wurde eine 3-Klappen-Konfiguration gewählt?
Die 3-Klappen-Konfiguration generiert mehr Abtrieb als die 2-Klappen-Variante, da sie eine bessere Strömungsregeneration und einen höheren absoluten Anstellwinkel ermöglicht.
Wie beeinflussen Louvres die aerodynamische Effizienz?
Louvres verringern den Druckausgleich am Ende der Endplatte und erzeugen Aufwind, was zu einer Erhöhung der Gleitzahl um bis zu 8 % führen kann.
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- Peter Kovacs (Author), 2022, Entwicklung eines Heckflügels für den Formula-Student-Rennwagen. Racing mit Fokus auf widerstandsreduzierende Elemente und Untersuchung ihres Einflusses auf das Verhältnis von Abtriebs- und Widerstandsbeiwert, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1282469
