CFD-Aerodynamik-Vergleich 2018 vs. 2019 FOM
CFD-Aerodynamik-Vergleich 2018 vs. 2019
Grafik Frontflügel 2019
Grafik Frontflügel 2019
CFD-Aerodynamik-Vergleich 2018 vs. 2019
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CFD-Bilder der 2019er Aero-Regeln

So sieht "Dirty Air" aus

Die Formel-1-Verantwortlichen wollen die Rennen spektakulärer machen. Wir zeigen Ihnen Anhand von CFD-Simulationen, wie die neuen Aerodynamik-Regeln für 2019 den Luftstrom für das nachfolgende Auto tatsächlich verbessern werden.

In den ersten 12 Rennen der Formel 1-Saison 2018 gab es durchschnittlich 32 Überholmanöver. Der GP Australien war mit 5 Positionswechseln das schlechteste, der GP Frankreich mit 57 Überholmanövern das beste Rennen. Ausgerechnet Paul Ricard, wo die Fahrer im Vorfeld noch vor einer langweiligen Prozession gewarnt hatten, weil die Geraden zu kurz und die Schikane dazwischen zu schnell sei. Doch dann herrschte am Sonntag plötzlich Gegenwind auf der Geraden, und es gab Überholmanöver zuhauf. Sie waren fast ein bisschen zu einfach.

Das zeigt, wie sich Experten irren können. Und wie komplex die Materie ist. Könnte man überall Gegenwind produzieren, würden 1.000 Meter Gerade in Verbindung mit DRS ausreichen. Doch auf vielen Rennstrecken sind die Geraden zu kurz, das Delta der Rundenzeiten wegen stabiler Reifenabnutzung zu klein, oder es fehlt einfach nur Gegenwind.

Weil man sich auf solche Parameter nicht verlassen will, bastelt eine kleine Gruppe von Ingenieuren unter der Leitung von Pat Symonds im Auftrag des F1-Managements am Auto von übermorgen. 2021 wird die Formel 1 ein anderes Gesicht bekommen.

Ein Teil dieser Arbeit ist mit neuen Vorschriften für die Flügel und die Bremsbelüftungen bereits im nächsten Jahr zu sehen. Es ist auch ein Experiment für die Arbeitsgruppe von Symonds. Was auch immer dabei rauskommt, es wird noch in das 2021er Auto einfließen. Wenn man falsch liegt, kann man noch korrigieren. Ist man auf dem richtigen Weg, kann man die Lerneffekte daraus noch verstärken.

Pat Symonds ist aber überzeugt, dass die grobe Richtung stimmt: „Wir haben diesmal viel mehr wissenschaftlichen Aufwand in das Projekt gesteckt als 2009, als Paddy Lowe, Rory Byrne und ich schon einmal Regeln konzipiert hatten, die das Überholproblem lösen sollten. Diesmal haben wir eigene Simulationen betrieben, und acht Teams haben uns dabei großartig unterstützt.“

Problem mit den Y250-Wirbel

Robert Kubica - Williams - F1-Test - Budapest - 1. August 2018
Jerry André
Williams hat bei den Tests mit dem neuen Frontflügel für 2019 die CFD-Daten mit FloViz-Farbe überprüft.

Ursprünglich haben Symonds und fünf seiner Kollegen an dem Auto für 2021 gearbeitet. „Wir haben wirklich mit einem weißen Blatt Papier begonnen. Und wir wollten uns die nötige Zeit nehmen, damit uns nicht das Gleiche passiert wie 2009. In diesem Prozess waren wir immer dafür offen, gewisse Teilergebnisse schon früher auszuprobieren. Als Jean Todt uns gefragt hat, ob wir etwas von unserer Arbeit für 2019 vorziehen könnten, haben wir uns mit Nikolas Tombazis von der FIA zusammengeschlossen.“

Das Ziel bei der Arbeit war immer, den Abtrieb für das nachfolgende Auto zu verbessern. Das war es 2009 auch. Und warum konnte es damals so schiefgehen? „Weil wir damals nicht die technischen Möglichkeiten hatten, unsere Ideen auszutesten. Heute haben wir sie.“

„Als wir damals den Frontflügel mit der genormten Mittelsektion konzipiert haben, konnten wir uns nicht vorstellen, dass am Übergang zum unlimitierten Teil diese Y250-Wirbel entstehen würden. Und dass wir damit die Ingenieure dazu ermutigen würden, diesen speziellen Wirbel für ihre eigenen Zwecke zu nutzen.“

Heute sind die Phänomene bekannt. Und sie lassen sich in der CFD-Simulation auch gut visualisieren. Dazu werden im digitalen Windkanal zwei Autos in Abständen von 5, 10, 15 und 20 Meter, direkt hintereinander und versetzt hintereinander gestellt. Die Software berechnet, welche Strömung das führende Fahrzeug produziert und wie das nachfolgende Auto je nach Abstand und Stellung zueinander reagiert.

Das F1-Management hat auto motor und sport einige dieser Computergrafiken zukommen lassen, die zeigen, wie die Strömung rund um das Auto und dahinter aussieht. Die Qualität der Strömung wird in energiereiche und energiearme Luft unterteilt. Sie ist in der digitalen Darstellung durch Farben gekennzeichnet. Blau und Grün steht für energiearme Luft, weiß für Luft mit viel Energie. Rot und gelb liegt dazwischen.

Die Simulation verdeutlicht in je einem horizontalen und vertikalen Schnittbild, dass bei den aktuellen Autos direkt hinter dem Heckflügel eine große und breite Zone von Luft mit wenig Energie erzeugt wird. Schlecht für den Fahrer, der folgt. Er verliert Abtrieb. Man spricht bei den Wirbeln, die hinter dem Auto zusammentreffen von der Nachströmung. Die beginnt genaugenommen schon hinter den Vorderrädern. Da aber keiner die schlechte Luft auf dem Rest des Fahrzeugs haben will, muss sie irgendwie aus der Welt geschafft werden.

Ingenieure zwingen schlechte Luft nach außen

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Der Schnitt durch die Luft hinter dem Auto zeigt: Im unteren Bild (2019) ragen die Turbulenzen seitlich nicht mehr so weit über das Chassis hinaus.

Dieses Ausschwemmen von turbulenter Luft beginnt schon beim Frontflügel und setzt sich über Bremsbelüftungen, die Luftdurchleitung durch die Radnabe der Vorderachse und Leitbleche fort. Ziel ist es, so viel wie möglich von dem schädlichen Luftstrom nach außen abdriften zu lassen. Dort tut sie dem eigenen Fahrzeug nicht weh. Dem nachfolgenden schon. Die CFD-Simulation hat der Projektgruppe erstmals vor Augen geführt, was im Bereich von 20 Metern hinter dem Auto passiert.

Die beiden großen Luftwirbel schließen sich dort wieder zusammen, dummerweise genau in einer Höhe, in der der Frontflügel des hinterherfahrenden Autos dringend saubere Luft bräuchte. Ziel ist es in letzter Konsequenz, dass die Wirbel entweder erst gar nicht entstehen oder innerhalb der Räder vorbeigeführt werden, damit sie dann vom Diffusor und dem Heckflügel nach oben abgelenkt werden und so das nachfolgende Auto nicht stören können.

Bei den Schaubildern für das 2019er Auto ist klar zu erkennen, dass die Zone energiearmer Luft hinter dem Auto schmaler und kleiner wird. Die vertikalen Schnittbilder visualisieren, dass sich die Wirbel schneller auflösen.

Symonds sieht trotzdem noch eine Gefahr: „Es könnten vielleicht an anderer Stelle neue Wirbel entstehen, an die wir nicht gedacht haben. Oder die Ingenieure könnten absichtlich Wirbel produzieren, um die Strömung dorthin zu lenken, wo sie sie haben wollen. Wir sind hier sechs Leute. Bei den Teams sitzen 1.000 Ingenieure. Das ist ein ungleicher Kampf.“

Symonds ist trotzdem optimistisch, dass man auf alles eine Antwort finden kann, was seine Ex-Kollegen so aushecken. Schließlich hat man ja mit dem 2019er Reglement einen Versuchsballon, in den man noch eingreifen kann, bevor es 2021 ernst wird.

Die Sofortmaßnahmen 2019 sind ein 200 statt 180 Zentimeter breiter Frontflügel mit mehr Tiefe, nur noch fünf Elementen, ohne Kaskaden, mit einer beschränkten Anzahl an vertikalen Strömungsausrichtern und Endplatten, die maximal 15 Grad nach außen zeigen. Dazu Bremsbelüftungen ohne Finnen und Winglets und keine Luftdurchleitung durch die Vorderachse mehr.

Auch der Heckflügel bekommt neue Dimensionen. Zehn Zentimeter breiter, zwei Zentimeter höher, und nach hinten versetzt. Er soll den Rest der schlechten Luft, der dort noch ankommt, nach oben ablenken.

Auf den CFD-Bildern sieht die Strömung aus wie ein Atompilz. Formel-1-Chef Ross Brawn glaubt an das Konzept: „Wir haben bei unseren Analysen nicht nur festgestellt, dass das nachfolgende Auto in deutlich ruhigerer Luft fährt. Das vorausfahrende hat auch noch einen kleinen Nachteil. Was wollen wir mehr?“

In der Galerie zeigen und erklären wir Ihnen die faszinierenden CFD-Bilder im Detail.

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