Diseño y análisis de un alerón de Fórmula 1

Abstract

En aquest treball es tractarà d'estudiar i comprendre una ciència fonamental en les competicions automobilístiques de màxim nivell, l'aerodinàmica. Els fonaments teòrics obtinguts seran la base per la creació d'un element aerodinàmic que s'assembli el màxim possible a un aleró posterior de Fórmula 1 real. L'objectiu és dissenyar una estructura que tingui un comportament similar a aquest tipus d'aleró mitjançant el software de modelatge "SolidWorks". El disseny final serà sotmès a una simulació amb unes condicions d'estudi determinades per veure el seu comportament. Es realitzaran dos tipus de simulacions, en dues i en tres dimensions, en tots dos casos a través del software de mecànica de fluids computacional "ANSYS Fluent". Les simulacions donaran lloc a uns resultats numèrics i visuals de la reacció generada entre el flux d'aire i l'aleró, resultats que s'hauran d'analitzar per comprovar si el funcionament de l'aleró és el correcte. Els valors més representatius que s'obtindran després del procés de càlcul seran les forces que genera l'aleró cap a terra (càrrega aerodinàmica), la força resistent de l'aleró a l'aire (resistència aerodinàmica o drag) i els coeficients adimensionals que representen a totes dues forces. En definitiva, s'entendrà de manera empírica la influència que té l'aerodinàmica a l'automobilisme d'elit, i en concret, l'aleró posterior, un dels elements més importants per la generació de forces aerodinàmiques.

En este trabajo se tratará de estudiar y entender una ciencia fundamental en las competiciones automovilísticas de máximo nivel, la aerodinámica. Los fundamentos teóricos obtenidos serán la base para la creación de un elemento aerodinámico que se asemeje lo máximo posible a un alerón trasero de Fórmula 1 real. El objetivo es diseñar mediante el software de modelado “SolidWorks” una estructura que tenga un comportamiento similar a este tipo de alerones. El diseño final será sometido a una simulación con unas determinadas condiciones de estudio para ver cómo se comporta. Se realizarán dos tipos de simulaciones, en dos y en tres dimensiones, en ambos casos mediante el software de mecánica de fluidos computacional “ANSYS Fluent”. Las simulaciones facilitarán unos resultados numéricos y visuales de la reacción generada entre el flujo y el alerón, resultados que habrá que analizar para comprobar si el funcionamiento del alerón es el correcto. Los valores más representativos que se obtendrán después de los cálculos serán la fuerza que genera el alerón hacia el suelo (carga aerodinámica), la fuerza resistente del alerón al aire (resistencia aerodinámica o drag) y los coeficientes adimensionales que representan a ambas fuerzas. En definitiva, se comprenderá de manera empírica la influencia que tiene la aerodinámica en la élite del automovilismo, y en concreto, el alerón trasero, uno de los elementos más importantes para la generación de fuerzas aerodinámicas.

This project is about studying and understanding the key aspect in high level motor sports, aerodynamics. This theorical foundation will be basic in the production of an aerodynamic element that looks, as much as possible, like a real F1 rear wing. The aim is to design a structure that performs like this type of wing using the modelling software “SolidWorks”. The final design will go through a simulation process, with the appropriate study conditions, to then study his behaviour. Bidimensional and three-dimensional simulations will be made, in both cases using the computational fluid dynamics software “ANSYS Fluent”. The simulations will provide visual and numeric results that will be basic to check if the wing works properly. The provided numeric values that will be essential are the force that the wing generates towards the floor (downforce), the wing resistance to the air flux (drag) and the coefficients related to these forces. In conclusion, this project proves in an experimental manner the influence aerodynamics have at the highest level in motor sport industry, specifically the importance of the rear wing, one of the key elements in the generation of aerodynamic forces.