Numerical Study of a drag reduction system for a formula student car

Abstract

This dissertation focuses on utilising computational fluid dynamics tools to achieve an optimized Drag Reduction System configuration from an existent design of a Formula Student car rear wing. The considered rear wing is a multi-element wing with 3 airfoils that produces a considerable fraction of the car’s total aerodynamic downforce. This requires a downforce/drag forces trade-off that impacts the performance of the car in each segment of the race track. The introduction of a Drag Reduction System requires that the system is well design to avoid adding complexity without considerable benefits. A typical formula student DRS concept is applied where the two most rear-er flaps are rotated in order to decrease or increase drag. Achieving a good DRS system through the best possible configuration in terms of angle of attack of the flaps, as well as the center of rotation position was considered to have the potential to be a considerable improvement to the cars’ performance. In the present work StarCCM+ is used to simulate the external aerodynamics of the isolated rear wing. Simulation macros are developed in order get a better understanding of the overall force mapping of all lift and drag forces on the current rear wing configuration. Through a first force mapping study is in seen how the second flap’s angle of attack has more influence in the overall forces on the wing. The lift and drag mapping showed the expected close proximity between this separate force components. Iteratively, the best configuration in terms of angles and centers of rotation of the flap is achieved. Through a 2D analysis of the isolated airfoil it is seen that the lowest drag angle of attack is about 0. On a first iteration of optimization process the first movable flap sits at 0 while for the second flap shows that a 􀀀6 angle of attack is preferable in order to reduce drag. It is seen that varying the centers of rotation also has impact the force values although it is less than varying the angles of attack. The combination of the angles of attack study with the center of rotation showed that the preferable minimum drag configuration sits at a f lap1 = 0, a f lap2 = 􀀀6, a CORf lap1 = 20% and a CORf lap2 = 0%. The tools developed through this dissertation are left to the team in such a way that it makes it faster to achieve the iterative study of the DRS system configuration.

Esta dissertação concentra-se na utilização de ferramentas computacionais de dinâmica de fluidos para obter uma configuração otimizada do Sistema de Redução de Arrasto para a asa traseira de um carro de Formula Student. A asa em questão é uma asa multielemento com 3 aerofólios que produz frações consideráveis das forças aerodinãmicas descendente e de arrasto totais do carro. Isso requer um compromisso entre as forças descendente e de arrasto que afeta o desempenho do carro em cada segmento da pista de corrida. A introdução de um sistema de redução de arrasto requer que o sistema seja bem projetado para evitar que se adicione complexidade ao carro sem um acréscimo de benefícios que o justifiquem. Um conceito típico de DRS de Formula Student é aplicado onde os dois flaps mais traseiros são girados a fim de diminuir ou aumentar o arrasto. Conseguir um bom sistema DRS através da melhor configuração possível em termos de ângulo de ataque dos flaps, bem como da posição do centro de rotação foi considerado como tendo potencial para ser uma melhoria considerável no desempenho dos carros. No presente trabalho, a ferramenta textit StarCCM + é usado para simular numericamente a aerodinâmica externa da asa traseira do carro FST 10e da equipa FSTLisboa. Macros de simulação são desenvolvidos para facilitar a obtenção do mapeamento geral das forças e sustentação e arrasto na configuração atual da asa traseira. Por meio de um primeiro estudo de mapeamento de força, é possível ver como o ângulo de ataque do segundo flap é mais impactante nas forças gerais na asa. O mapeamento de sustentação e arrasto mostrou também a proximidade esperada entre estes dois componentes de força aerodinâmica. Iterativamente, chegou-se à melhor configuração em termos de ângulos e centros de rotação. Por meio de uma análise 2D do aerofólio isolado, verifica-se que o menor ângulo de arrasto de ataque é cerca de 0. Em uma primeira iteração do processo de otimização, o primeiro flap móvel fica em 0 enquanto que o segundo flap mostra que um ângulo de ataque de 􀀀6 é preferível para reduzir o arrasto. A diferença de ângulo ótimo do segundo flap entende-se como sendo relacionada com a existência de um gurney flap e à interação entre os vários flaps. Vê-se que variar os centros de rotação também tem impacto nos valores de força, embora seja menor do que variar os ângulos de ataque. A combinação dos ângulos de estudo de ataque com o centro de rotação mostrou que a configuração de arrasto mínimo preferível fica em f lap1 = 0, a f lap2 = 􀀀6, a CORf lap1 = 20% e um CORf lap2 = 0%. As ferramentas desenvolvidas nesta dissertação são deixadas para a equipa de forma a agilizar o estudo iterativo da configuração do sistema DRS.