The design and optimisation of formula SAE car body aerodynamics

Mateusz Gugała

Abstract

The aim of this thesis is to design and optimize WUTracing-2014 Formula SAE aerodynamic package with respect to generated downforce, by keeping the drag on reasonable level. However, due to Formula SAE track specication the drag plays only supporting role. In the introduction major information about Formula SAE competition and its rules are covered. The restrictions created by Formula SAE judges introduce primal constraints to the design of car aerodynamics. This limitations are the source of basic assumptions and goals to be achieved. Further part of thesis describes the design scheme and presents the concept of each aerodynamic part. Additionally the CAD tools and methods used for geometry creation are mentioned. Relatively more attention is devoted to cooling system initial design. Cooling duct shape, fan size, power and radiator size are one of key factors that states about vehicle reliability. In 2012 Formula SAE competition the system failed several times resulting in engine overheatingthe team did not nish nal part (endurance race). In the main part of work the CFD analyses are presented. All pre-processing, processing and post-processing actions are described. Hundreds of 2D CFD analyses were run using ANSYS WORKBENCH 14.5 working environment and the DoE scheme (Design of Experiments). ANSYS Fluent solver was used for all CFD calculations. This allows to create response surfaces that presents the inuence of chosen optimization parameters on the cost functiondownforce. The 2D analyses were performed for set of front,and rear wing airfoils and diuser. The DoE analyses gave an inputs for full scale 3D model. Final CAD model used for CFD simulation includes vehicle with all aerodynamic parts as well as other details like simplied suspension, engine, exhaust system etc. Tetrahedral mesh with prism boundary layer was created in ANSYS meshing platform. All the results were comprehensively described. In the nal section of thesis, the adjoint based gradient optimisation method was presented on 2D and 3D case. Due to time bounds only the sensitivities were calculated without a use of automatic shape optimisation. The work ends with design conclusion and highlights the importance of optimisation methods in CFD for industrial application purposes.
Diploma typeMaster of Science
Author Mateusz Gugała WMEiL
Mateusz Gugała,,
- Faculty of Power and Aeronautical Engineering
Title in PolishProjekt i optymalizacja aerodynamiki nadwozia pojazdu formuła SAE
Supervisor Janusz Piechna ITLMS
Janusz Piechna,,
- The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics
Certifying unitFaculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unitThe Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (IAAM)
Study subject / specializationMechanika i Budowa Maszyn
Languagepl polski
StatusFinished
Defense Date17-03-2013
Issue date (year)2013
Pages161
Internal identifierMEL; PD-2204
Reviewers Janusz Piechna ITLMS
Janusz Piechna,,
- The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics
, Witold Selerowicz ITLMS
Witold Selerowicz,,
- The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics
Keywords in PolishFormuła SAE, Formuła 1, układ chłodzenia, optymalizacja, aerodynamika, analiza numeryczna, pojazd wyscigowy
Keywords in English-
Abstract in PolishCelem pracy jest stworzenie projektu oraz optymalizacja aerodynamiki pojazdu Formuła SAE WUTracing 2014. Wielkością optymalizowaną jest siła docisku, przy zachowaniu możliwie niskiego oporu aerodynamicznego. Druga wielkość pełni jednak rolę drugoplanową ze względu na specyfikacje toru Formuły SAE. We wstępie przedstawione są główne informacje związane z zawodami Formuły SAE wraz z zasadami. Wymagania stworzone przez regulamin narzucają pierwsze ograniczenia na projekt aerodynamiki. Ograniczenia te są źródłem podstawowych założeń projektu oraz wyznaczają oczekiwane cele. W dalszej części pracy przedstawione jest podejście do projektowania, oraz przedstawione są koncepcje poszczególnych podzespołów aerodynamiki. Dodatkowo wymienione są narzędzia, które posłużyły do zaprojektowania modelu CAD. Nieco więcej uwagi poświęcone jest wstępnym obliczeniom i projektowi układu chłodzenia, który ma znaczący wpływ na niezawodność pojazdu. Główna część pracy skupiona jest na przepływowych obliczeniach numerycznych. Przedstawiane są poszczególne etapy analiz wraz z odpowiednimi szczegółami. Wykonane zostały setki analiz 2D w środowisku ANSYS WORKBENCH 14.5 przy użyciu podejścia "projektowanie za pomocą eksperymentów". Jako procesor użyty został program ANSYS Fluent. Wymienione podejście pozwoliło w krótkim czasie, automatycznie wykonać duże ilości obliczeń. Stworzone zostały trójwymiarowe wykresy przedstawiające wpływ poszczególnych parametrów projektowych na generowaną siłę docisku. Analizowane były dwuwymiarowe modele profili skrzydła przedniego oraz tylnego a także dyfuzora. Wyniki analizy dwuwymiarowej dały wiele wskazówek do projektu pełnowymiarowego. W ostatecznym modelu CAD zawarte zostało nadwozie pojazdu wraz z poszczególnymi elementami aerodynamicznymi a także uproszczone modele zawieszenia, silnika, układu wydechowego i wiele innych. Dla modelu stworzona została siatka czworościenna z warstwą przyścienną w postaci pryzm. Wyniki obliczeń zostały szczegółowo opisane. W ostatniej części pracy przedstawiona została gradientowa metoda optymalizacji oferowana przez program ANSYS Fluent - tzw. metoda operatora sprzężonego. Ze względu na ograniczenia czasowe jedynie pole wrażliwości przepływu zostało wyznaczone, pomijając automatyczną optymalizacją kształtu. Praca zakończona jest podsumowaniem projektu aerodynamiki. Podkreślone zostało również znaczenie różnych metod optymalizacji w obliczeniach przepływowych i ich zastosowanie w przemyśle.
File
MGr-thesis.pdf (file archived - login or check accessibility on faculty) MGr-thesis.pdf 40.72 MB


Back