How Design Formula One

CFD Computational Fluid Dynamics F1


CFD Computer Fluid  Dynamics  Dinámica de Fluidos Computacional 

Para poder hacer una simulación CFD seguiremos estos pasos:-

–          diseñar el modelo en 3D-

–          realizar el mallado de dicho modelo ( compromiso entre precisión (Nº de nudos) y tiempo de computación.

–          elegir las Condiciones de Contorno (Boundary Conditions): Inlet, outlet, wall, rotación de las ruedas,…

–          el modelo matemático de resolución de las ecuaciones, S-A, K-w,…

–          comprobar la convergencia de los errores de dichas ecuaciones: energía, continuidad, flujos,…

–          obtención de datos: fuerzas FL y FD, centro de presiones, intercambios térmicos en escapes y pontones,…

 

En estos vídeos podéis ver simulaciones:

https://www.youtube.com/watch?v=kd4nc-tG63Y

https://www.youtube.com/watch?v=d45mT2au53c

https://www.youtube.com/watch?v=13li5rI9HC0

https://www.youtube.com/watch?v=Aa_IaLskXro

To place a CFD simulation follow these steps:

– Design the 3D model

– Perform the meshing of the model (compromise between precision (# of nodes) and computation time.

– Choose Boundary Conditions (Boundary Conditions): Inlet, outlet, wall, wheel rotation, …

– The mathematical model of solving the equations, SA, Kw, …

– Check the convergence of the errors of these equations: energy, continuity, flow, …

– Data collection: FL and FD forces, center of pressure, heat exchanges in leaks and pontoons, …

CFD 6 Diseño 3D
CFD 6 Diseño 3D
CFD 7 Mallado 3D
CFD 7 Mallado 3D
CFD 5 Boundary Conditions
CFD 5 Boundary Conditions

Con el CFD estudiaremos el monoplaza en conjunto y también ciertos elementos que nos interesen por separado, alerones, difusor, ruedas…  para obtener su diseño óptimo o intuir que cambios nos interesa hacer en otras piezas para optimizar la eficiencia total. Así, los alerones los optimizamos por separado y las ruedas las estudiamos para ver qué cambios podemos hacer en otras partes y mejorar su aerodinámica, ya que a las ruedas pocos cambios se le pueden hacer.

Después de obtener una convergencia en la simulación del CFD, podemos visualizar el mapa de presiones y velocidades (y otras muchas variables) del monoplaza, del alerón o de lo que estemos simulando, y decidir qué cambios geométricos realizar para mejorar la eficiencia aerodinámica.

También nos facilita información de la cantidad de calor cedida por los refrigeradores de los pontones (la hemos calculado en el diseño del motor), y si no es suficiente, por ejemplo, tendremos que aumentar el área de los refrigeradores.

En definitiva, iremos mejorando el monoplaza.

Básicamente, por Bernoulli, si la presión aumenta la velocidad disminuye y viceversa.

Nos interesa para aumentar FL (Down Force):

– Parte Superior Alta Presión y baja velocidad

– Parte Inferior baja presión y Alta Velocidad

Para disminuir FD (Drag Force), esto es más complicado por no decir imposible:

– Parte Delantera baja presión y Alta Velocidad

– Parte Trasera Alta Presión y baja velocidad

With the CFD study the car as a whole and also certain elements that interest us individually, spoilers, diffuser, wheels … for optimal design or sense that we want to change other parts to optimize the overall efficiency. So we optimize spoilers and wheels separately studying them to see what changes we can make elsewhere and improve its aerodynamics, since little change wheels you can do.
After obtain converged CFD simulation, we show the map of pressures and velocities (and many other variables) of the car, the spoiler or what we are simulating, and decide which geometric changes required to improve aerodynamic efficiency.
We also provide information on the amount of heat transferred by the pontoons coolers (we calculated the engine design), and if not enough, for example, we have to increase the area of the refrigerators.

In short, we will improve the car.

Basically, by Bernoulli, if the pressure increases the velocity decreases and vice versa.

We are interested to increase FL (Down Force):

– Top Low Speed ​​High Pressure

– Bottom low pressure and high speed

To reduce FD (Drag Force), this is more difficult if not impossible:

– The Front low pressure and high speed

– Rear Low Speed ​​High Pressure

 

Mallado del modelo

Haremos el mallado en función de los recursos informáticos de que dispongamos: a mayor número de nudos, celdas y caras más tardará en realizar los cálculos y/o se bloqueará por falta de memoria RAM. En nuestro caso, con un ordenador de 64 bits, 4+4 núcleos a 3,40 GHz y 8 Gb de RAM, hemos realizado un mallado de 1.000.000 de nudos y 2.600.000 caras aproximadamente. La simulación tarda entre 1 – 2 horas, para 100 – 200 iteraciones.

Meshing the Model

We meshing depending on computer resources at our disposal: the greater the number of nodes, cells and faces more take to complete the calculations and / or crash due to lack of RAM. In our case, with a 64-bit computer, 4 +4 cores at 3.40 GHz and 8 GB of RAM, we performed a mesh knots 1,000,000 and 2,600,000 faces about. Simulation takes between 1 – 2 hours to 100-200 iterations.

Boundary Conditions

If we give the car travel speed, we can not give rotation speed of the wheels (the CFD gives us to choose one or the other, but not both simultaneously). Therefore, the simulation is done with the car stopped and the air moving at the speed that the car would.

796591 mixed cells, zone  2, binary.

1948232 mixed interior faces, zone  1, binary.

12538 mixed wall faces, zone  5, binary.

247 quadrilateral mass-flow-inlet faces, zone  6, binary.

247 quadrilateral pressure-outlet faces, zone  7, binary.

8653 mixed wall faces, zone  8, binary.

3690 quadrilateral wall faces, zone  9, binary.

7280 mixed wall faces, zone 12, binary.

9754 mixed wall faces, zone 13, binary.

33178 mixed wall faces, zone 17, binary.

68 mixed pressure-outlet faces, zone 14, binary.

103 mixed mass-flow-inlet faces, zone 15, binary.

9429 mixed wall faces, zone 11, binary.

162593 mixed wall faces, zone 10, binary.

407357 mixed interior faces, zone 18, binary.

993829 nodes, binary.

993829 node flags, binary.

Condiciones de Contorno

Si al coche le damos velocidad de traslación, no podremos darle velocidad de rotación a las ruedas (el CFD nos da a elegir una u otra , pero no ambas simultáneamente). Por tanto, la simulación la realizamos con el coche parado y el aire desplazándose a la velocidad que tendría el coche.                          jasf1961@wordpress.com

Boundary Conditions

——————-

Zones

      inlet                       mass-flow-inlet  

      dairemotorentrada                 pressure-outlet  

      dairemotorsalida        mass-flow-inlet  

      drefrigeradores            wall             

      alerondel               wall             

      outlet                  pressure-outlet  

      road                   wall             

      wall-air.1               wall             

      alerontra               wall             

      bfrontwheels            wall             

      brearwheels             wall             

      cbodywork              wall   

En alerondel, alerontra, drefrigeradores y cbodywork, la velocidad es nula ya que están parados.

En inlet y dairemotorsalida, en función de la velocidad v que seleccionemos para la simulación (v = 75 m/s = 270 km/hora por ejemplo), calculamos el gasto másico de aire:  ṁ =ρ A v, siendo A el área “por donde entra el aire” en cada caso. En dairemotorentrada, es el gasto másico previsto debido a la velocidad que lleva el vehículo, que en teoría, debe coincidir con el gasto másico que consume el motor a esa velocidad y que se ha calculado en el apartado motor, para posteriormente calcular el área necesaria de entrada en la toma de aire.

En bfrontwheels y brearwheels, que son las ruedas, introducimos la velocidad de rotación de las mismas:  v = ω r, siendo r el radio de las ruedas y los centros de rotación de cada eje.

En road y wall-air.1, que son el suelo y las “paredes” del aire, la velocidad es v.

En dairemotorentrada y outlet, introducimos la presión estática.

Además, en todas las zonas que son wall, introducimos otros parámetros como la rugosidad de cada pared, temperatura o heat flux, según los casos, por ejemplo, en dairemotorsalida pondremos la temperatura de salida de los gases de escape ( +- 1300 ºK).

In alerondel, alerontra, drefrigeradores and cbodywork, the velocity is zero because they are unemployed.

Dairemotorsalida in inlet and, depending on the speed v we select for simulation (v = 75 m / s = 270 km / hour poe example), we calculate the air mass flow M = r A v, where A is the area “where it enters the air “in each case. In dairemotorentrada is the mass flow rate expected due to carrying the vehicle, which in theory should match the mass flow to the motor at that speed and that has been calculated in paragraph motor to then calculate the required area entry into the air intake.

Brearwheels in bfrontwheels and which are the wheel rotation speed introduce thereof: v = ω r, where r is the wheel radius and the centers of rotation of each axis.

In road and wall-air.1, which are the ground and the “walls” of the air, the speed is v.

In dairemotorentrada and outlet, we introduce the static pressure.

Furthermore, all areas that are wall, introduce other parameters such as the roughness of each wall temperature or heat flux, as appropriate, for example, in dairemotorsalida will exit temperature of the exhaust gases (+ – 1300 ° K) .

 

Modelo Matemático

Model                        Settings

———————————————————

Space                       3D

Time                        Steady

Viscous                      SST k-omega turbulence model

Heat Transfer                 Enabled

Material: air (fluid)

Property                        Units      Method       Value(s)

———————————————————————————-

Density                         kg/m3      ideal-gas    #f

Cp (Specific Heat)                 j/kg-k      constant     1006.43

Thermal Conductivity              w/m-k      constant     0.0242

Viscosity                        kg/m-s     Sutherland

Solver Settings

Equation     Solved

——————-

Flow         yes

Turbulence    yes

Energy       yes

Simulación en 3D, régimen estacionario, modelo K-w SST, flujo compresible con transferencia de calor, densidad calculada como gas ideal y la viscosidad según el modelo de Sutherland. Además de la ecuación de continuidad, utilizamos la de turbulencia y activamos la de la energía.

3D simulation, steady, SST kw model, compressible flow with heat transfer, calculated as an ideal gas density and viscosity on the model of Sutherland. Besides the continuity equation, the use of turbulence and activate the power.

Convergencia de los errores

Monitorreamos los errores residuales de continuidad, energía, k, w, velocidad (x,y,z), drag cd, lift cl, momentos cm y cualquier otro parámetro que observemos que adquiere valores inusuales o no apropiados como pueden ser presiones y temperaturas. Como tenemos varias zonas:

Inlet  dairemotorentrada   dairemotorsalida   drefrigeradores   alerondel   road    all-air.1   alerontra    bfrontwheels        brearwheels     cbodywork   podemos monitorrear en una zona en concreto un determinado parámetro y si alcanza valores fuera del rango previsto, ponerle límites o darle unos valores más acordes.

Convergence of the errors

Monitorreamos the residuals of continuity, energy, k, w, velocity (x, y, z), drag cd, cl lift, moments cm and any other parameter to observe that acquires unusual or inappropriate values ​​such as pressure and temperature. As we have several areas:

Drefrigeradores dairemotorsalida dairemotorentrada Inlet road all-air.1 alerondel alerontra can cbodywork brearwheels monitorrear bfrontwheels a particular area and if a certain parameter reaches values ​​outside the range, set limits or give more consistent values.

 

Obtención de datos

Si la simulación termina con un convergencia, hacemos reports de los flujos de aire (inlet y output deberían coincidir) para ver el grado de precisión y térmicos de trasferencia de calor en la zona de los pontones y en el escape (los hemos calculado en el apartado motor) para ver si tenemos que redimensionarlos o estamos haciendo algo mal.

Hacemos una simulación para v = 75 m/s y otra para v = 90 m/s. Para cada velocidad nos marcamos unos objetivos de valores totales de FD y FL, que hemos calculado en función del consumo de combustible, potencia del motor, coeficiente de rozamiento μ, fuerzas G en curvas y frenadas.

Anotamos los valores de Drag Force FD, Lift Force FL y área proyectada Axz, para cada zona: alerones, ruedas y bodywork y calculamos los coeficientes respectivos CD y CL y su relación Ea = FL / FD = CL / CD, para cada una de las velocidades de la simulación.

Luego sumamos los valores parciales de cada componente para obtener los totales.

La gráfica de conos muestra Drag Force FD, Lift Force FL, Drag Coefficient CD, Lift Coefficient CL, Eficiencia Aerodinámica EA, para cada componente: alerones, ruedas (Wheel Front y Wheel Rear), BodyWork .

La simulación se ha hecho a v = 75 m/s y luego a v = 90 m/s. Teóricamente, según el análisis dimensional de modelos CD, CL y EA no deberían variar a distintas velocidades, pero vemos que, según el CFD, varían …

Data Collection

If the simulation ends with a convergence reports do air flow (inlet and output should match) to see the degree of precision and thermal heat transfer area and the pontoons exhaust (we have calculated in the Motor section) to see if we have to resize them or we are doing something wrong.

Make a simulation for v = 75 m / s and another for v = 90 m / s. For each speed we set targets total value FD and FL, we have calculated in terms of fuel consumption, engine power, coefficient of friction μ, G-force cornering and braking.

We write down the values ​​of FD Force Drag, Lift Force AXZ FL and projected area for each zone: spoilers, wheels and bodywork and calculate the respective coefficients CD and CL and its relation Ea = FL / FD = CL / CD, for each of simulation speeds.

Then add the partial values ​​for each component totals.

The graph shows cones Drag Force FD, FL Force Lift, Drag Coefficient CD, Lift Coefficient CL, Aerodynamic Efficiency EA, for each component: spoilers, wheels (Wheel Front and Rear Wheel), BodyWork.

The simulation has been done to v = 75 m / s, then v = 90 m / s. Theoretically, according to the CD models dimensional analysis, CL and EA should not vary at different speeds, but we see that according to the CFD vary …

Force Report   (N)

Zone   Pressure        x        y         z                                          

alerondel           1532.4568                  -2877.2952                       -6.8232222

alerontra           836.94452                  -1764.1512          44.198288

bfrontwheels        1414.6475             -1447.3146          -23.945206

brearwheels        1266.39                    -1369.8529          -23.225115

cbodywork         2514.5188                -4945.0625          -84.856636

drefrigeradores      67.688866                     -113.54449          3.4769299

Net              7632            -12517         -91      =>    FD = 7632 N         FL = -12517

Center of Pressure – Set Coordinate z = 0 (m)

Zone                      x           y             

alerondel                 0.61317081      -0.73039178

alerontra                 5.1415002       -0.19264137

bfrontwheels              0.67623915      0.37189064

brearwheels               5.2491682       1.0693496

cbodywork               3.2572609       0.51371515

drefrigeradores            3.3278357       -3.4947015

Net                    2,689           1,097                    =>    Cp  (2,689  1,097)

Total Heat Transfer Rate       (w)

bfrontwheels                       60538

brearwheels            68238

dairemotorsalida               280167                =>   Escapes                             DQ = 280167        w

drefrigeradores                             306832                 =>   Refrigeradores              DQ = 306832  w

Net                                          715775

Mass Flow Rate             (kg/s)

dairemotorentrada          -0.47625756      =>   Toma de Aspiración    = 0,476   kg/s 

dairemotorsalida           0.62999982           =>   Escapes                              = 0,630   kg/s             

Net                                          0.15374225

 

Hacemos una simulación para v = 75 m/s y otra para v = 90 m/s. Para cada velocidad nos marcamos unos objetivos de valores totales de FD y FL, que hemos calculado en función del consumo de combustible, potencia del motor, coeficiente de rozamiento μ, fuerzas G en curvas y frenadas.                                  jasf1961@wordpress.com

Anotamos los valores de Drag Force FD, Lift Force FL y área proyectada Axz, para cada zona: alerones, ruedas y bodywork y calculamos los coeficientes respectivos CD y CL y su relación Ea = FL / FD = CL / CD, para cada una de las velocidades de la simulación.

Luego sumamos los valores parciales de cada componente para obtener los totales.

La gráfica de conos muestra FD y FL para cada componente: alerones, ruedas (Wheel Front y Wheel Rear), BodyWork .

Aunque en automovilismo (Mecánica) se suele utilizar el área frontal Ayz, hemos utilizado el ärea en planta Axz más propia de la aviación: en cualquier caso la Eficiencia aerodinámica EA tiene el mismo valor, mientras que los coeficientes de sustentación y arrastre son proporcionales pero distintos.

Aerodinámica Fuerzas FL y FD sacadas de simulación CFD

FD=

Fuerza Drag de arrrastre según CFD

FL=

Fuerza Lift de sustentación invertida (Down Force) s/ CFD

Axz=

Area = Ch * En = Largo * Ancho
Cd  y  CL , y por tanto Ea, dependen de la forma, ángulo de ataque….

CD=

CD,  Coeficiente Drag  =  2 * FD / (Ch * En * ρ * V^2 ) =  2 * FD / ( Axz * ρ * V^2 )

CL=

CL ,  Coeficiente Lift =  2 * FL / ( Ch * En * ρ * V^2 ) =  2 * FL / ( Axz * ρ * V^2 )

Ea=

Eficiencia aerodinámica  CL / CD

CFD 1 Drag Force

CFD 1 Drag Force

A partir de aquí, sólo anotamos los valores de todo el monoplaza:

CFD 2 Downforce

CFD 2 Downforce

Realizamos el CFD para otros prototipos de monoplaza: el F2

Realizamos varias simulaciones de CFD, cambiando algún parámetro, sin tener en cuenta la admisión, refrigeración y escapes y teniéndolos en cuenta:

CFD 3 Drag Coeficient

CFD 3 Drag Coeficient

Ahora teniendo en cuenta admisión, refrigeración y escapes, , distintas simulaciones del prototipo F2 y del F1:

CFD 4 Lift Coeficient

CFD 4 Lift Coeficient

Como vemos en la simulación CFD obtenemos un valor de  EA ≈ 1,50 lejos de los monoplazas actuales.

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