Symonds o aerodynamických tunelech: Velikost, rychlosti, omezení a měřené parametry

Jednoduchá otázka na začátek: proč týmy používají aerodynamické tunely?Existují dvě věci, které přispívají k výkonnosti vozu Formule 1 více, než cokoliv jiného: pneumatiky a aerodynamika. Vzhledem k tomu, že týmy v těchto dnech nemohou být vůbec zapojeny do vývoje pneumatik, hlavní rozdíl ve výkonnosti tvoří aerodynamika.

A využívání aerodynamického tunelu k polo-empirickým experimentům je s velkým náskokem tím nejlepším způsobem pro rozvoj aerodynamického přítlaku a efektivity.

Jak se aerodynamické tunely v F1 liší od těch používaných v jiných odvětvích?Jedním z rysů, který najdete ve všech aerodynamických tunelech v motosportu (ale zřídkakdy u ostatních), je pohyblivá podlaha. Protože spodní část vozů a aerodynamika otáčejících se kol jsou ve Formuli 1 tak důležité, je nutné reprezentovat pohyb vozu po zemi stejně jako skrz vzduch. To se dělá tak, že se model uchytí nad pohyblivý pás.

První pohyblivá podlaha, kterou jsem navrhl, používala pás, jenž je v podstatě zvětšenou verzí toho, který se používá v supermarketech u pokladen. Velký rozdíl spočívá v tom, že se tyto pásy pohybují rychlostí 180 km/hod. Zprovoznit je skutečně při takové rychlosti je celkem umění. Dnešní pásy se vyrábějí z oceli a jsou mnohem trvanlivější.

Video: Testování v aerodynamickém tunelu Sauberu (zdroj: Sauber Motorsport AG)

Jak velký je aerodynamický tunel Formule 1?Důležité je, aby model zabíral pouze drobný zlomek pracovní oblasti. Všichni jsme už viděli "kohoutí ocasy," které se táhnou za monoposty za mokra. Na dráze nemají žádné hranice, zatímco v tunelu se mohou odrážet od střechy zpět a vést k nepřesnostem.

Model musí být dobře oddělený od stěn a střechy tunelu. Tunel pro 60% modely zabírá typicky plochu o rozměrech 65 x 30 m, průřez pracovní části má kolem 4 x 3,7 m a je 15 m dlouhý. Znamená to, že čelní plocha 60% modelu představuje méně než 4 % průřezu pracovní části tunelu. Vzhledem k tomu, že vůz F1 má čelní oblast kolem 1,5m2, byste potřebovali tunel s průřezem pracovní plochy 7 x 6 m, abyste dosahovali podobných výsledků.

Nevýhody testování s malými modely (a testování při nižších než provozních rychlostech) spočívají v tom, že nedosáhnete skutečnou podobnost kvůli tomu, čemu se říká efekt Reynoldsova čísla. Zjednodušeně to znamená, že se vzduch chová trochu odlišně v závislosti na poměru setrvačných a viskózních sil. Přijatelné podobnosti obecně dosahuje 50% model při rychlosti 50 m/s.

Testování Ferrari F2012 pokrytého flow-visem v aerodynamickém tunelu v Maranellu,kde se v současné době předělává (foto: Scuderia Ferrari)

Jaké parametry měříte v aerodynamickém tunelu?Samozřejmou odpovědí je 'odpor a přítlak,' ale stejně důležité je vyvážení vpředu a vzadu. Další síly a momenty, které působí podél či kolem os, jsou zaznamenávány a analyzovány pro určení důležitých výslednic sil.

Jedním z nedostatků je to, že testování v aerodynamickém tunelu je hodně empirické. Znamená to, že pokusy se dělají v izolaci, a i když výsledku plně rozumíte, prostředky projeveného se zlepšení (či zhoršení) nebudou vždy jasné.

Pro zlepšení pochopení se také měří několik tlaků - typicky kolem stovky. Jejich analýza pomáhá aerodynamikům porozumět režimu toku daného modelu.

Existují další způsoby, jak pozorovat to, co se děje v aerodynamickém tunelu?Můžete využít laserovou rovinnou anemometrii (particle image velocimetry), pro níž se často používá zkratka PIV. Jedná se o techniku, kdy se do proudění v tunelu zavádějí drobné částice z polystyrenového latexu, které se chovají v podstatě stejně jako vzduch. Jejich pohyb může být studován díky nasvícení laserem a zfilmováním jejich pohybu.

Pomocí sofistikovaného softwaru se pak určí směry proudění a rychlosti, což není užitečné pouze pro studium charakteristik odtržených proudů, ale také pro srovnání s CFD výsledky, jakožto další prostředek ověřování.

Pro proudění, které zůstává přilnuté k povrchu, se používají vizualizační nátěry, které jsou úplně stejné jako ty, jež vídáváme na skutečných monopostech během tréninků. Ukazují nejen směr proudění, ale také naznačují, kde dochází k jeho odtržení z povrchů karosérie.

Částice zavedené do proudění pro zkoumání pomocí PIV (foto: Toyota Motorsport GmbH)

Jak rychle se pohybuje vzduch a podlaha v aerodynamickém tunelu?Dohoda o omezení zdrojů v F1 limituje velikost modelu na 60% a rychlost vzduchu na 50 m/s (180 km/hod). Jedinou výjimkou jsou čtyři dny testování s plnohodnotnou velikostí. Mohou se uskutečnit buď na testovací trati, nebo v tunelu pro modely o plné velikosti.

Nebýt dohody o omezení zdrojů, vysoké náklady na testování v aerodynamickém tunelu by byly ještě vyšší. Když jsme například postavili aerodynamický tunel v Benettonu, jednou z nejdražších věcí bylo postavení elektrické stanice, která by zajišťovala dostatek energie.

Aerodynamický tunel, který je dostatečně velký pro testování 60% modelů při rychlosti 50 m/s, spotřebuje kolem 870 kW elektrické energie. Je zajímavé, že vzhledem k tomu, že spotřebovávaná energie je proporcionální k třetí mocnině rychlosti v tunelu, by náklady na elektřinu při poklesu rychlosti z 50 na 40 m/s byly zhruba poloviční.

Práce na modelu v aerodynamickém tunelu Williamsu (foto: Williams F1 Team)

Marussia to zkoušela bez využívání aerodynamických tunelů - jak dlouho ještě zůstanou v F1?Aerodynamické tunely jsou přesnější než CFD ve většině oblastí vozu, ačkoliv společně existují jako vzájemně se doplňující vědy. CFD se v průběhu roku zlepšuje díky zlepšujícím se kódům, rychlejším počítačům a lepšímu porozumění, ale než se z něj stane primární nástroj, tak to ještě desítky let bude trvat.