Analýza pravidel: Zvětšení DRS otvoru v roce 2014 - prospěje závodění?

English version

Když se v roce 2009 Formule 1 rozhodla pro zvětšení celkové šířky předního křídla z 1400 na 1800 mm, byl upraven také článek 3.17 technických pravidel, aby umožňoval větší prohýbání křídla při statickém zátěžovém testu.

Podobným způsobem je nyní snížena výška prostoru vymezeného pravidly pro horní prvek zadního křídla o 20 mm. Článek 3.18 se změnil a umožňuje také využít maximálně 65 mm pro otvor (slot) mezi klapkou a hlavním profilem po aktivaci DRS (doposud max. 50 mm).

Teorie pro přední křídlo byla založena na jednoduché aplikaci známé rovnice pro průhyb konzolového nosníku:

Výsledný průhyb pro dané zatížení aplikované na vnější konec širšího křídla je dvojnásobný. To samozřejmě platí pouze pro svět testů průhybu a nikoliv pro to, se se děje, když je aerodynamický tlak rozprostřený podél křídla vozu na závodní trati.

Jak víme, změny v odstavci 3.10 technických pravidel pro rok 2013 vyžadují horní křídlo o maximálně dvou prvcích, které se vejde do kvádru o rozměrech 200 x 350 x 710 mm, což je na výšku o 20 mm méně než doposud.

Prostor daný pravidly pro návrh zadního křídla (foto na pozadí: Scuderia Ferrari)

To znamená, že křídlo změní svůj tvar: možná přijde o klenutí (náběh) a hloubku, s podobnými změnami nejvyššího prvku (klapky). Pokud by byly použity jednotlivé prvky, mohlo by dojít k omezení klenutí o přibližně 3 ° (hrubý odhad).

Když zajdeme o něco dále a použijeme velmi jednoduchý profil křídla a vztah k Cl (koeficient vztlaku) a ke klenutí:

dojdeme k závěru, že po takové změně úhlu bychom mohli očekávat pokles vztlaku (u opačného křídla v F1 tedy přítlaku) křídla v typickém rozpětí kolem 25 % (< 10 % celkově z vozidla) s odpovídající změnou v odporu. Ve skutečnosti tato čísla musí být experimentálně určena s opětovně optimalizovanými různými dostupnými parametry, mohou nám však poskytnout přibližně správnou představu.

Jde ale zejména o odpor, který nás zajímá, jelikož po jeho snížení při aktivaci DRS může poskytnout vozu v závěsu rozhodující aerodynamickou výhodu. Výše uvedená čísla popisují křídlo, které nejspíše funguje při vysoké zátěži při úrovni pro Kanadu/Spa.

Na těchto okruzích je efekt DRS omezen, pokud jde o zvýšení maximální rychlosti (možná na 3 - 5 km/hod místo 20 km/hod), v závodě se však v konečném důsledku nezdá být neefektivní. Ve skutečnosti je tomu spíše naopak.

Zvětšení slotu bylo založeno na některých základních CFD analýzách geometrie pro rok 2014, takže je bezpochyby odůvodněné, je však možná otázkou, zda je opravdu plně zapotřebí.

Zadní křídlo Ferrari z Kanady v zavřeném a otevřeném stavu, šířka DRS slotu 50 mm(foto: Scuderia Ferrari)

Některé počty vycházejí z neúspěšných pokusů o DRS předjetí, lze však pozorovat, že jich je velmi málo. Obvykle vůz o 1 - 1,5 sekundy na kolo rychlejší předjede s využitím DRS snadno. Současné pneumatiky vedou k tomuto rozdílu kvůli své vysoké degradaci (obvykle 0,1 s/kolo po 10 kol na tvrdší z nabízených směsí).

Pokud tedy budou pneumatiky zachovány, je v tomto ohledu možné provést určité úpravy pro zlepšení závodění. Neúspěšný pokus o předjetí může být navíc stejně vzrušující, jako ten úspěšný.

V pravidlech je opatření pro kontrolu velikosti slotu pomocí daného limitu, na efektivitu DRS ale vedení dohlíží prostřednictvím umístění smyček na okruhu a velikosti aktivačních zón. Změna technických pravidel je konec konců mnohem obtížnější.

Uvidíme, jaký bude efekt této změny pro rok 2014, po plné optimalizaci geometrie zadního křídla však bude DRS stále velmi silné. U předního křídla pro rok 2009, kdy šlo o neškodnou změnu, také v dalším období následovaly určité, proto mám obavy z toho, že DRS příští rok nebude mírně oslabeno, ale že se místo toho vozy vydají opačným směrem.

 

 

English version

DRS Slot Gap Dimension for F1 in 2014

When in 2009 Formula One opted in increase the overall width of the front wing from 1400mm to 1800mm an amendment was also made to article 3.17 to permit greater deflection of the wing when subject to a static load test. In a similar way for 2014 now the rear wing upper element legality box has been reduced in height by 20mm article 3.18 has changed to permit a maximum 65mm slot gap with DRS deployed.

The theory for the front wing was based on a simple application of the familiar equation for deflection of a cantilever beam:

The resultant deflection for a given load applied at the outboard end of the wider wing is double. Of course this is only in the world of the deflection test and not what really happens when aerodynamic load is distributed along the wing with the car on track.

As we know in the 2014 Technical Regulations the changes to article 3.10 require a two element maximum rear upper wing that fits within a box of 200mm x 350mm x 710mm, a reduction of 20mm in height.

Rear wing legality box (background photo: Scuderia Ferrari)

This means the wing will change shape, possibly loosing camber or incidence, length or chord, with similar changes to the uppermost element or flap. If a single element alone were used this could imply a reduction in incidence of approximately 3deg. (obviously a gross simplification).

Taking this a little further and using the very simplest airfoil and relationship for Cl and incidence:

Implies that such a change in angle in the typical range we could expect might result a reduction in lift (downforce) of around 25% from the wing (<10% un-balanced from the whole vehicle), with a corresponding change in drag. In reality these figures need to be determined experimentally with the various available parameters re-optimised, but can give us a ballpark idea.

It is the drag of course that we are interested in, since when this is much reduced through deploying the DRS we are able to give the critical aerodynamic advantage to a trailing car and allow an overtake. The figures above describe a wing, which is perhaps operating around the high Canada/Spa level of load.

At these circuits the effect of DRS is currently reduced in terms of the increased top speed possible (maybe 3-5Km/h out of 20), but does not seem to be ineffective in races as a result. Quite the opposite in fact.

The increase in DRS slot gap will have been based on some basic CFD analysis of 2014 geometry, so no doubt is valid but it is perhaps questionable as to whether it is indeed fully necessary.

Closed and open rear wing of Ferrari in Canada, DRS slot gap is 50mm wide(foto: Scuderia Ferrari)

Few figures seem to be available on the number of failed DRS overtake attempts, but one senses there are very few. Usually any car with a laptime advantage of >1-1.5s will pass easily using DRS. The current tyres often produce this kind of difference due to their high degradation (it takes 10 laps at 0.1s/lap typical of the Prime), so if the tyres are to be maintained maybe there is some adjustment possible in this space to further improve the racing. After all a failed passing attempt can be just as exciting as a successful one.

The regulations made provision for control of the slot gap dimension by placing a limit on it, but currently the authority over the effectiveness of the DRS must be exercised by the location of loops in the circuits and the activation distances. Changing the Technical Regulations is after all much more difficult.

It remains to be seen what the effect of the 2014 change will be, but likely once the full optimisation of the rear wing geometry has taken place the DRS will still be very powerful. In the case of the front wing for 2009, what was an innocuous change at the time also resulted in some revisions at a future date hence my apprehension over not letting the DRS be slightly de-powered for next year’s cars but instead moving in the opposite direction.

 

Dominic Harlow's webpages: www.dominicharlow.com