Aërodynamica in de F1: stroming onder de wagen
Door Ramses Bossuyt, 8 December 2003
Door het plaatsen van vleugels op een F1-wagen kunnen de ontwerpers downforce creëren. Maar niet alleen de vleugels en de aërodynamische addenda zijn belangrijk, ook de stroming onder de wagen draagt sterk bij tot het ontwikkelen van downforce.
Dat de stroming onder een F1-wagen van groot belang is tonen de grondeffect wagens van eind jaren ‘70 aan. Deze maakten ten volle gebruik van de stroming onder de wagen. Door het grondeffect konden zeer hoge downforcewaarden gehaald worden. Dit kwam doordat deze wagens enorm dicht tegen de grond lagen, zodat er een zeer dunne laag lucht onder de wagen kon stromen. Dit bracht met zich mee dat deze lucht enorm snel stroomde, wat dan weer een grote onderdruk veroorzaakte. Het nadeel van deze wagens was dat deze precieze stroming onder de wagen niet verstoord mocht worden. Als dit toch gebeurde werden deze wagens erg nerveus en soms onbestuurbaar. Vandaar dat de FIA de grondeffect-wagens verbood.
Dit betekent niet dat de huidige F1-wagens geen uitgedokterde stroming onder de wagen hebben. In tegendeel, doordat de vlakke vloerplaat op een minimum hoogte van het wegdek moet liggen, moeten de neus, de kiel en de diffuser zeer goed ontworpen zijn om maximale winst uit de stroming onder de wagen te halen. Op onderstaande schets kunt u de verschillende onderdelen zien die de stroming onder de wagen bepalen.
De stroming begint bij de lucht die onder de neus stroomt (zie figuur rechts). Deze ongestoorde lucht wordt deels door de splitter onder de vloerplaat geleid. Deze lucht stroomt verder onder de vloerplaat waar hij een hoge snelheid haalt en waar er dus veel downforce gecreëerd wordt. Daarna moet de stroming nog worden afgeremd in de diffuser. De lucht die de splitter niet onder de vloerplaat kreeg geduwd wordt ter hoogte van de kiel in tweeën gesplitst en in de sidepods of zoveel mogelijk naar de buitenkant van de sidepods geleidt.
Dit is in het kort uitgelegd hoe de stroming onder een F1-wagen juist werkt. Ter hoogte van de vloerplaat wordt de meeste downforce gecreëerd. De lucht stroomt hier het snelst en zal dus hier voor de laagste druk zorgen. Echter de vloerplaat op zich is helemaal niet speciaal. Hij is trouwens weinig waard zonder een uitgekiemde stroming aan zijn ingang en uitgang, verzorgd door respectievelijk de splitter samen met de kiel en de diffuser.
Begin jaren ‘90 kwam met op het lumineuze idee om de neus van de F1-wagens te doen stijgen. Dit had als nadeel dat er vooraan minder downforce ontwikkeld werd. Maar dit nadeel woog niet op tegen het voordeel. Namelijk doordat er meer ongestoorde lucht naar de splitter kon stromen en dus onder de wagen, kon er meer downforce gecreëerd worden dan men verloor ter hoogte van de voorwielen.
De laatste jaren komt de neus van de F1-wagens terug lager te liggen. Dit komt doordat de ingenieurs de neus zo hebben kunnen vormen dat er ondanks een lagere neus voldoende ongestoorde lucht naar de splitter kan stromen. Sinds kort maken sommige teams ook gebruik van een zogenaamde ‘twin keel’-neus. Deze heeft geen centrale bevestiging van de onderste draagarmen van de voorophanging meer, zoals bij de gewone ‘single keel’-neus. De ‘twin keel’-neus maakt echter gebruik van twee aparte bevestigingspunten voor de draagarmen van de linker en rechter ophanging, zoals de onderstaande doorsnede van beide neuzen verduidelijkt. Men krijgt als het ware twee kielen. Hierdoor kan er een uitsparing gemaakt worden in de neus, hetgeen zorgt voor een grotere ongestoorde luchtstroom onder de neus. En zo kan er weer extra downforce gecreëerd worden onder de wagen. Het nadeel van dit ‘twin keel’-systeem is dat de neus sterker gemaakt moet worden en dat de voorste ophanging lichtjes aan efficiëntie moet inboeten.
Ietsje achter de wielen bevindt zich de kiel van de F1-wagen. Dit ziet er gelijkaardig uit aan de kiel van een schip. Hier moet echter niet een schip zich moeiteloos door water bewegen, maar moet de F1-wagen gezwind door de lucht rijden. De speciale vorm van de kiel zorgt er voor dat de lucht niet enkel in twee wordt gesplitst, maar ook naar de sidepods wordt geleid.
Na de vloerplaat ontmoet de lucht onder de wagen de diffuser. Dit is een erg belangrijke component. Deze moet zeer nauwkeurig ontworpen worden om er voor te zorgen dat de vloerplaat zo veel mogelijk downforce kan ontwikkelen. Rond de diffuser bestaan nogal wat misverstanden. Velen denken dat de diffuser een onderdruk veroorzaakt en dus downforce creëert. Dit is echter niet zo, een diffuser op zich ontwikkelt geen downforce, hij zorgt er wel voor dat de vloerplaat maximaal gebruik kan maken van de snelle luchtstroming onder zich en draagt zo bij tot een verhoging van de downforce terhoogte van de vloerplaat.
De diffuser bestaat in feite uit verschillende diffusers De reden hiervoor is dat er verschillende stromingen zijn onder de wagen, en de ingenieurs willen voor elke stroming een optimale diffuser ontwerpen, elk met een verschillende vorm en verschillende grootte. Zo kan de downforce gemaximaliseerd worden. Hoe ziet zo’n diffuser er nu uit? Dit is een soort tunnel waarvan het dak stijgt naar achteren toe (zie schets). De diffuser remt de snelle lucht van onder de vloerplaat af tot de snelheden van de lucht rondom de wagen. Dit laat toe dat de lucht van onder de wagen mooi gemengd kan worden met de lucht rondom de wagen zonder al te veel turbulentie te creëren, maar met het grote voordeel dat de lucht onder de wagen voor een grote downforce kan zorgen.
Kortom algemeen gezien kan u de onderkant van een F1-wagen beschouwen als een grote F1-vleugel. Ter hoogte van de splitter en de kiel wordt de luchtstroming samengedrukt richting de onderkant. Daarna haalt deze lucht hoge snelheden en lage drukken onder de vloerplaat, waarna hij terug kan afremmen in de diffuser.
Ik hoop dat ik u met deze features iets heb kunnen bijbrengen over de aërodynamica van de huidige F1-wagens. Indien u hieromtrent nog vragen heeft, aarzel dan niet om ze op ons forum te stellen.
Vorige aërodynamica-features waren:
Aërodynamica in de F1: inleiding
De vleugels en andere aërodynamische addenda
Facebook
NuJij
eKudosF1 merchandise
Een hele winkel vol F1 modellen en spullen tegen scherpe en interessante prijzen. Kom zeker eens kijken!
