Laserlicht op luchtstromen: F1-teams tillen windtunneltests naar nieuw niveau

Formule 1-teams zijn continu op zoek naar nieuwe ideeën, technologische oplossingen en partners die kunnen bijdragen aan betere prestaties van hun auto’s. Die zoektocht beperkt zich niet tot de ontwikkeling van de auto zelf, maar geldt ook voor de tools waarmee men de prestaties op het circuit beter kan begrijpen en verbeteren. Een belangrijk hulpmiddel daarbij is Computational Fluid Dynamics (CFD). Dit is een simulatiemethode waarbij met behulp van wiskundige modellen en algoritmen het gedrag van vloeistoffen – in dit geval lucht – en hun interactie met vaste oppervlakken wordt geanalyseerd. Simpel gezegd: men bestudeert hoe luchtstromen zich rond een Formule 1-auto bewegen.

CFD maakt het mogelijk om via steeds geavanceerdere software en krachtige computers in slechts enkele seconden complexe vormen en krachten te berekenen. Hierdoor kunnen teams virtueel een auto ontwerpen, nog vóór er ook maar een onderdeel is geproduceerd. Toch is validatie nodig en dat gebeurt in de windtunnel. Hier wordt een schaalmodel op 60 procent van de werkelijke grootte onderworpen aan luchtstromen tot 180 kilometer per uur, zoals voorgeschreven door het reglement.

CFD toegepast op een Formule 1-auto.

Foto door: Sauber Petronas

Het schaalmodel wordt voorzien van speciale banden van Pirelli, die qua profiel, afdruk en vervorming overeenkomen met de echte exemplaren. Deze banden zijn bekend van de ‘pole position-trofeeën’ die na elke kwalificatie wordt overhandigd aan de snelste rijder. De ontwikkeling is inmiddels zo verfijnd dat zelfs de bandendruk van de miniaturen meetelt.

Ooit maakten windtunnels gebruik van een metalen loopband om het rijgedrag van de auto op de baan na te bootsen. Tegenwoordig zijn deze banden gemaakt van rubberachtige of kunststof materialen, wat de kwaliteit van de luchtstroming ten goede komt. Voor auto's met grondeffect – waarbij de vloer zo dicht mogelijk bij het asfalt moet blijven – is dat cruciaal om de verliezen in neerwaartse druk bij variërende rijhoogte goed te meten. De loopbanden zijn niet alleen geavanceerder qua materiaal, maar ook qua toepassing. Waar vroeger enkel longitudinaal werd getest, worden nu ook zijwaartse krachten en stuurbewegingen gesimuleerd. Daarbij worden downforce, luchtweerstand én zijwaartse grip gemeten.

De onderzoeksapparatuur ontwikkelt zich snel. Waar vroeger slechts vier weegschalen onder de wielen stonden om krachten te meten, beschikken de schaalmodellen nu over talloze sensoren die veel meer data genereren.

De loopband in de windtunnel van Mercedes in Brackley

Foto door: Mercedes AMG

Toch is dat niet genoeg. Sinds enkele jaren worden windtunnels uitgerust met Particle Image Velocimetry (PIV). Dit systeem maakt het mogelijk om luchtstromen visueel te analyseren. Een krachtige laserstraal, geplaatst aan de zijkant van de tunnel, in combinatie met twee zeer gevoelige camera’s, maakt het mogelijk luchtstromen en wervelingen in beeld te brengen. Dit betekent een grote stap vooruit: ingenieurs kunnen nu zien of een luchtstroom zich gedraagt zoals gepland en of wervelingen zich gedragen volgens ontwerp.

De PIV-installatie kan worden verplaatst om verschillende delen van de auto te onderzoeken. Tijdens vrije trainingen aan het begin van het seizoen zien we F1-auto’s regelmatig uitgerust met grote hekwerken vol meetapparatuur. Die worden vaak op exact dezelfde plaats gemonteerd als waar eerder het stromingsveld met PIV in de windtunnel is geanalyseerd.

De Particle Image Velocimetry in een windtunnel.

Er is echter een uitdaging: de huidige windtunnels zijn vaak niet groot genoeg om meerdere PIV-systemen gelijktijdig en veilig te laten functioneren. De laser is extreem krachtig en kan oogschade veroorzaken bij personeel dat de test uitvoert. Daarom worden de zijwanden van de tunnel tegenwoordig afgeschermd. Waar men vroeger via een glaswand direct zicht had op het schaalmodel, zijn de meeste moderne tunnels voorzien van dichte muren en worden de tests via camera’s gemonitord.

Nieuwe windtunnels, zoals die van McLaren en Aston Martin, zijn speciaal ontworpen om dit soort technologieën optimaal te kunnen benutten. Andere, oudere tunnels mogen dan nog steeds functioneel en efficiënt zijn, maar beginnen tegen steeds grotere beperkingen aan te lopen.