Nowe skrzydło Astona - jak działa i co daje? [CFD]

Gdy Aston Martin pokazał swoje rewolucyjne tylne skrzydło na Węgrzech, czas w F1 na chwilę się zatrzymał. Uwaga wszystkich skupiła się na garażu ekipy Lawrence'a Strolla i jestem pewien, że niejeden z inżynierów konkurencyjnych zespołów zaniemówił na moment. Aston pokazał bowiem coś, co w tym sezonie teoretycznie jest zakazane: wyniesione końcówki paneli bocznych tylnego skrzydła.

Popularnie nazywane endplates miały bowiem zniknąć z F1 wraz z tegorocznymi regulacjami, zmniejszającymi generację brudnego powietrza. Precyzyjniej - zniknąć miały elementy nad profilem lotek. Dla niecierpliwych od razu powiem, że zapobiegają one przelewowi powietrza z obszaru o wysokim ciśnieniu na zewnątrz, zwiększając rozłożenie docisku na skrzydle (i delikatnie go poprawiając). Zmniejszają one również indukowany opór aerodynamiczny, poprawiając wydajność całego skrzydła. Ot, cała historia No prawie..

O aerodynamice słówko lub dwa

Skrzydła produkują wypadkową siłę na podstawie różnicy ciśnień pomiędzy górną a dolną powierzchnią. W przypadku motorsportu spód skrzydła jest w obszarze podciśnienia, a obszar o wysokim ciśnieniu znajduje się nad nim. W rezultacie dół jest zasysany, góra dociskana, a obie te siły dodają się, tworząc docisk aerodynamiczny.

Jednak efektem takiej manipulacji przepływem jest znaczny gradient ciśnienia pomiędzy górną a dolną powierzchnią lotki. Powietrze jest płynem, tylko po prostu specyficznym. Naturalną tendencją płynów jest przepływ z obszaru o wysokim ciśnieniu do tego o niższym. Cząsteczki powietrza zaczynają więc przeciekać pod skrzydło, przez co ciśnienie nad skrzydłem się obniża, a to pod podnosi. Ponieważ wypadkowa siła jest bezpośrednio zależna od różnicy w ciśnieniu nad i pod skrzydłem, to w takiej sytuacji docisk również się zmniejsza.

 

 

Takie zjawisko pogarsza i rozłożenie, i całkowitą wartość docisku na długości płata, a także wypadkowy kąt natarcia i ogólną wydajność elementu. Efekt ten jest szczególnie mocny przy końcówkach skrzydła, gdzie powietrzu jest się przedostać najłatwiej.

Endplate'y, podobnie jak lotki w samolotach, zmniejszają przeciek powietrza poprzez odsunięcie miejsca, w którym powietrze może się przedostać, od powierzchni profilu. W rezultacie skrzydło zachowuje się tak, jakby było szersze, niż jest w rzeczywistości - co jest szczególnie przydatne w F1, gdzie maksymalna szerokość jest nakazana przepisami.

Mniejszy przeciek osłabia również wytworzony wir. O ich działaniu i efekcie narosło parę mitów oraz niedopowiedzeń - w rzeczywistości wir sam w sobie nie jest przyczyną wzrostu w oporze, lecz raczej skutkiem. Gdy powietrze przecieka z jednej strony skrzydła na drugą, nabiera rotacyjnej energii kinetycznej. W myśl zachowania energii musi ona skądś pochodzić - w tym przypadku z jednostki napędowej. Jednak praca wykonana przez silnik podczas tworzenia przepływu nie służy użytecznemu celowi - przez co można zaliczyć ten efekt jako składową oporu. Im mniejszy przeciek, tym mniej energii pójdzie na straty, więc i opór się zmniejszy.

Dla bardziej zainteresowanych zostawiam wchodzącego nieco głębiej w strukturę przepływu wokół skrzydła i oddziaływania lotek.

Troszkę CFD

Z ciekawości pobawiłem się trochę z tego typu skrzydłami. Tak o, do wizualizacji. Wyników nie uznałbym za wiarygodne - nie znam ani profilu lotek używanego przez zespół spod Silverstone, ani geometrii elementów skrzydła. Zdecydowałem się więc na użycie mniejszego kąta natarcia elementów, by nie musieć symulować dyfuzora i beam winga. Symulowana prędkość jazdy jest niska (40 m/s lub 144 km/h) a kąty i promienie nie są rzeczywiste, przy czym nowy "płotek" jest najprawdopodobniej tak daleki od tego rzeczywistego, jak tylko się da.

Jednak dalej są to dwa (prawie) identyczne skrzydła, o dość dużym kącie ataku i (jednak) dość dużej prędkości, a geometria jest zbliżona do tej używanej przez F1. Także jakieś wnioski powinno udać się wyciągnąć.

By utrzymać porównywalność, geometrie skrzydeł są identyczne, nie licząc górnej części endplate-a. Użyłem również identycznych ustawień siatki symulacji, a prezentowane sceny są ujęte w tym samych zakresach wykorzystanej funkcji.

Wynik nie przyniósł niespodzianek - patrząc na skrzydło bez przegrody (animacja powyżej), widać, jak powietrze ucieka na bok niemal od razu, przelewając się nad boczną krawędzią.

Tu mały offtopic, ale w ładny sposób pokazuje to również, jak powietrze przyspiesza pod skrzydłem i dociera do krawędzi spływu znacznie szybciej - ot, ciekawostka. Gif ten podkreśla także, gdzie jest miejsce - czyli w koszu - niestety popularnego mitu o powietrzu przepływającym nad i pod skrzydłem w tym samym czasie.

Również zgodnie z oczekiwaniami, przepływ w skrzydle z płotkiem (animacja poniżej) jest znacznie lepiej chroniony od przecieku, przez co nieco dłużej zostaje nad skrzydłem.

Sprawdziłem też rozkład zawirowań za skrzydłami (obrazek poniżej). Numer 1 to "główny" wir. Jego przyczyną jest powietrze wpadające pod skrzydło, w obszar podciśnienia. Nabiera ono wtedy rotacji i powstaje wir odpowiedzialny za część brudnego powietrza.

Wir numer 2 powstaje przy łukowatym wycięciu w panelu bocznym i widać, jak wyciągany jest w górę - prawdopodobnie przez upwash (skierowany w górę strumień powietrza) i być może nieco przez niższe ciśnienie w środku wiru nr 1. Można również zauważyć, jak wiry obracają się wokół siebie, niczym mały układ słoneczny - a słońcem jest wir numer 1.

 

 

Numer 3 jest wirem pochodzącym z krawędzi spływu skrzydła. Jest on nieuchronnym następstwem spotkania się dwóch warstw powietrza - jednej o wysokim ciśnieniu, a drugiej o niskim.

Ukryty za numerem 3 znajduje się jeszcze jeden wir (niestety słabo widoczny w tym ustawieniu), który pomaga generować docisk poprzez zwiększenie prędkości przepływu pod skrzydłem. Wir widoczny na dole traktowałbym jako ograniczenie metodologii symulacji i wątpię, żeby w znaczącym stopniu wpływał na wyniki.

Czy w nowym rozwiązaniu Astona jest inaczej? Cóż, ta wersja charakteryzuje się już nieco inną dystrybucją przepływu.

 

 

Poprzednio wspomniane wiry są obecne, ale na murawie pojawił kolejny zawodnik. Wir desygnowany numerem 4 nie występuje w symulacji bez wyniesionej sekcji bocznej i wydaje mi się, że to właśnie ona jest jego przyczyną. Warto zwrócić uwagę na jego siłę - zdecydowanie leży na wyższym końcu skali. Legenda podpowiada też, że wir nr 1 również zwiększył swojej siły, co można zinterpretować jako efekt wzmocnienia dzięki zmienionej sekcji bocznej i prawdopodobnie wirowi nr 4.

Dodatkowo można zauważyć, że wir numer 1 przemieścił się w dół. Zadbałem, by ujęcia były identyczne, więc nie może być to przypadek. Jeżeli miałbym spróbować wyjaśnić dlaczego, obstawiłbym fakt, że dzięki "płotkowi" mniej powietrza znajduje się z boku skrzydła, przez co powietrze już się tam będące jest mocniej wciągane pod skrzydło. Ponieważ początkowo znajdowało się ono niżej, wir również ma swój początek parę centymetrów niżej.

Patrząc na linie przepływu, wszystkie wiry zdają obracać się zgodnie z ruchem wskazówek zegara (co sprzyja ich wzajemnemu łączeniu). Lecz nawet opierając się o te wyniki, wolę nie spekulować, czy wiry te rzeczywiście się łączą. Na drodze stoi zbyt dużo przeszkód, takich jak niewłaściwa geometria czy prędkość, by takie stwierdzenie było czymś więcej niż zgadywaniem - ale dość prawdopodobnym jest, że nowinka Astona ma jakiś (niekoniecznie pozytywny) wpływ na brudne powietrze i podążanie bolidów za sobą.

Patrząc natomiast na rozkład generowanego docisku, widać poprawę. Stare skrzydło (zdjęcie poniżej) ma problem z wytwarzaniem go na brzegach i - przynajmniej wg symulacji - właśnie tam tworzy się nawet nieco siły nośnej.

 

 

Nowa wersja z kolei (kolejne zdjęcie), przynajmniej według wykresu, ma końcówki skrzydła, które są mocniej dociążone - i to pomimo nieoptymalnej geometrii. Wydaje mi się, że gdy tworzyłem model, przechyliłem płotki za bardzo do środka, przez co ich "łebki" znajdują się nad skrzydłem.

W tym wypadku ciśnienie odpycha je w górę, co neutralizuje delikatnie zyskany docisk - także ten wykres prawdopodobnie nie doszacowuje zysków z posiadania takiej poprawki...

 

 

Mówiąc o ciśnieniu - rzut oka na jego rozkład w obu wersjach potwierdza przeciek powietrza i straty w standardowej wersji...

...i znacznie lepsze zamknięcie powietrza o wysokim ciśnieniu w obszarze nad skrzydłem.

Jak to się ma do skrzydła Astona?

Podsumowując, prawdopodobnie nowe podejście do designu zespołu Lawrence'a Strolla pomoże w dystrybucji docisku na skrzydle. I choć to nieco zgadywanie w ciemno, zapewne nie wpłynie aż tak na całkowity docisk - wydłużenia endplatów nie są aż tak duże, a skrzydła generują docisk głównie stroną podciśnienia, które są dobrze osłonięte przez resztę paneli bocznych. Większa powierzchnia boczna być może pomoże również nieco ze stabilnością, przesuwając środek parcia nieco do tyłu. 

Nowe skrzydło prawdopodobnie produkuje nieco więcej brudnego powietrza - ale tutaj również ciężko powiedzieć coś definitywnego.

Trzeba też pogratulować Astonowi kreatywnej interpretacji i wykazania się sprytem. Jeżeli FIA nie wkroczy do akcji, możliwe jest, że ujrzymy tego typu skrzydła u reszty stawki, prędzej czy później. I choć raczej nie jest to upgrade na urwanie sekundy, to przecież każda setna się liczy.