Na Fórmula 1 (F1) é exigida uma condição particular quando se considera o papel do aerodinamicista. Em comparação com outras categorias do automobilismo, o número de pessoas envolvidas no desenvolvimento é muito maior. A equipe precisa estar bastante focada no que fazer para obter os resultados.

A estrutura do departamento de aerodinâmica

O departamento aerodinâmico é dividido em grupos de desenvolvimento aerodinâmico e aero operacionais.

Funções de desenvolvimento

• Aerodinamicistas;
• Metodologia CFD.

O primeiro é mais focado no desempenho, no desenvolvimento da forma, o que significa que para deixar o carro mais rápido é preciso analisar o fluxo. Em outras palavras, entenda como tornar o carro mais rápido apenas olhando as peças, seus conceitos e formas, certificando-se de que atendam aos requisitos de qualidade. As posições de função operacional são mais focadas no que pode ser útil. Seu trabalho é baseado em testes de túnel de vento (WT). Essa equipe deve ser muito eficiente no que fazer para otimizar o carro em termos de indicadores-chave de parâmetros (KPI). Para isso, a equipe operacional deve saber desenvolver ferramentas extras para melhorar a eficiência dos processos e, consequentemente, a eficiência do veículo. Portanto, o departamento aeronáutico está focado na maximização do desenvolvimento, cada chefe deve entender o seu papel, o que significa que cada teste deve ser muito bem planejado e pensado para evitar ideias ou teorias que não funcionam. A razão é que hoje em dia os testes WT são limitados em tempo e orçamento. O papel do aerodinamicista é entender os fatores próximos do carro, projetar o carro em uma ou mais condições com a maior velocidade possível. Para isso, o engenheiro deve entender os dados e pensar em soluções. A metodologia CFD desenvolve as ferramentas para os testes aerodinâmicos das soluções propostas. Seja qual for a solução escolhida, sempre requer alguns refinamentos e lacunas para inovações.

Funções operacionais

• Revestimento aerodinâmico;
• Projeto do modelo;
• Montagem;
• Produção;
• Compra técnica;
• Ferramentas de CFD.

Em termos de funções operacionais, há pessoas focadas em CAD e design de superfície. Isso é chamado de revestimento aerodinâmico, designers habilidosos que também são bons aerodinâmicos. Por outro lado, alguns aerodinamicistas projetam superfícies que são refinadas pelo pessoal da aerodinâmica. Normalmente, eles trabalham de perto e há um contato próximo. O pessoal do design do modelo é quem trabalha na última etapa antes do WT. Uma vez que as superfícies já foram testadas no ambiente CFD, elas devem ser transferidas para o modelo de túnel de vento (WTM). A função de design do modelo basicamente traduz as superfícies como peças a serem montadas no WTM. Os projetistas de modelos são os melhores para construir um modelo CAD em termos de qualidade e refinamento. O modelo é montado com diferentes componentes, peças e materiais. A maioria das peças são componentes impressos, mas também existem peças metálicas, como as de alumínio ou aço, em seções do carro que são mais solicitadas durante as simulações. Além disso, peças de carbono podem ser utilizadas quando solicitadas. Deve haver um compromisso entre liberdade de design, qualidade e tempo para produzir essas peças. A função da oficina modelo é a preparação dessas peças e sua montagem no WTM. A função de produção é a parte mais difícil da cadeia, pois deve sempre garantir que a peça seja construída no tempo certo ou o mais rápido possível. A função de compra técnica são pessoas que desenvolvem ferramentas para a mais alta qualidade de CFD. O desenho da superfície é o início do processo, já que o CFD se tornou um processo muito rápido. Assim, agora é possível ter muitas interações, pois o processo é responsivo o suficiente para isso. O objetivo é produzir uma superfície que possa ser rapidamente modificada de forma a permitir a simulação de diferentes configurações. Além disso, as superfícies também devem ser legais de acordo com os regulamentos da FIA.

Processo computacional de dinâmica de fluidos CFD

O processo de CFD começa com uma maquete inicial para verificar o design do carro e o que ocorre durante o processo. Se os resultados fizerem sentido, o processo pode continuar. No entanto, as primeiras análises costumam ser negativas. Algumas iterações são necessárias para fornecer resultados razoáveis. Na verdade o processo pode variar, pois os softwares e modelos de túnel de vento WTM podem variar. O processo começa com a submissão do case, os aerodinamicistas e designers constroem as superfícies. Uma vez desenvolvida a alternativa, esta deve primeiro ser avaliada dentro do ambiente CFD. Por exemplo, uma nova asa dianteira tem como variação de projeto um novo flap, que deve ser validado em simulações de CFD. Isso significa que essa asa dianteira é trocada por um novo flap e uma ferramenta para realizar essas simulações automaticamente. A automação é o que faz com que os processos de CFD regem o desenvolvimento aeronáutico, pois através de algoritmos é possível realizar diversas modificações e rodar com eficiência. Uma vez que os parâmetros de simulação são definidos, a malha e a execução são automatizadas. Essa automação é basicamente uma forma de pular condições e criar um pós-processamento de acordo com o tipo de saída que o designer deseja e deve analisar. Por exemplo, um pós-processo CFD dedicado à capacidade de curva do carro, portanto, os pós-processos exibem muitas informações sobre o downforce em termos de seção da asa dianteira. Embora o processo de CFD seja automatizado, o refinamento é definido pelo usuário.

Visão geral dos regulamentos aerodinâmicos da F1

Os regulamentos da FIA para a aerodinâmica da F1 definem as restrições nesta área de design. As principais restrições são o limite de tempo para testes de túnel de vento e simulações de CFD. Embora o processo seja bem otimizado e tenha as melhores ferramentas, as limitações de tempo exigem um processo eficiente e também, decisões muito bem baseadas em princípios físicos. A FIA controla o tempo pelo relatório de cálculos que indica o tempo computacional. Em termos de testes WT, a FIA verifica todos os relatórios emitidos após cada seção WT. No entanto, cada caso requer procedimentos diferentes. Por exemplo, em CFD, diferentes peças e componentes têm simulações com configurações específicas. Simulações pesadas de CFD são em linha reta, curvas de alta e baixa velocidade. Estas são simulações críticas, porque existem vários parâmetros importantes do WT, como ângulo de direção, altura do percurso, ângulo de guinada e também a ativação do DRS. Os testes de túnel de vento podem gerar muito mais dados em uma única execução do que um CFD. No entanto, apenas em simulações CFD é possível visualizar o campo de fluxo ou, pelo menos, uma estimativa do campo de fluxo do carro de F1. Isso é possível, pois no WT o ambiente é basicamente uma caixa retangular e o fluxo enfrentado pela asa dianteira é um pouco limitado em relação à situação real. O domínio CFD é mais fiel à condição real. Por isso, é importante cruzar as informações geradas por ambos os ambientes. Na verdade, seus resultados são complementares. Os ângulos das asas são escolhidos de acordo com o centro de massa, o eixo dianteiro e o eixo traseiro.

Qualquer seção transversal vertical de carroceria paralela ao plano C-C situada nos volumes definidos na Figura 2 deve formar uma curva contínua tangente em sua superfície externa. Esta curva contínua tangente não pode conter nenhum raio menor que 75 mm.

3.5.7 bodywork shape (R75) FIA F1 Rule

Figure 2 illustrates one of the many rules about the F1 aerodynamics. As can be seen, there are zones which the wings must be inside. The citation above, describes that any cross section parallel to the one at the plane at center of the car, but inside the volume described in Figure 2.

Ferramentas aerodinâmicas e testes de F1

Os testes WT são muito bons para medir a força e a pressão dos pneus, mas não é possível obter os efeitos devido aos escapamentos do motor. Portanto, não é possível entender a rejeição de calor. Para este caso, as simulações CFD são a única maneira de entender melhor o impacto do motor no campo de fluxo. Às vezes, o WTM precisa de alguns refinamentos, pastilhas para fixadores precisam de colas para retrofitá-los durante o período de teste. Portanto, há muita preparação, porque o tempo do WT é caro e limitado pelos regulamentos. Além disso, os túneis das asas homologados pela F1 têm espaço lateral suficiente para reduzir o efeito de parede na esteira das rodas. Existem dimensões especificadas para edifícios WT. Outro ponto interessante sobre o F1 WTM são os pneus. São pneus de escala adequada para modelos de túnel de vento, reproduzem todos os efeitos que um pneu real de F1 apresenta quando em operação. A deflexão do pneu resulta em efeitos no campo de escoamento que o atravessa. No entanto, esses detalhes de pneus aumentam muito o custo de um F1 WTM.

Como o WT já é muito complexo, os da F1 e das séries de corrida de primeira classe são ainda mais complexos. Possui uma enorme quantidade de sensores e torneiras de pressão. Esses taps são colocados no mesmo ponto que no ambiente CFD há medição de pressão. Assim, é possível cruzar informações entre esses ambientes. Em alguns modelos F1 WT existem sistemas que emulam os escapamentos do motor. O F1 WTM também possui suspensões ativas e dispositivos móveis que se ajustam com o vento. Este último é obrigatório pelo regulamento. Outro ponto que torna o F1 WTM tão caro são seus componentes e materiais. Estes são levados ao limite para explorar o quão finas algumas peças, componentes e perfis de asa podem ficar sem quebrar sob altas forças aerodinâmicas. Por esta razão, os F1 WTM são os que mais utilizam peças metálicas e metálicas revestidas.

Em termos de simulações CFD, a F1 é a série de corridas que possui as simulações CFD mais complexas. Um modelo F1 estanque é geralmente discretizado com 600 milhões de elementos. As restrições da F1 levam as equipes ao limite, de modo que devem melhorar seu pré e pós-processo para realizar o maior número de simulações possível. O problema é que as simulações de F1 não devem apenas testar várias configurações e movimentos do carro, mas todas essas configurações são instáveis. Estes requerem grandes hardwares que garantem uma alta capacidade de computação.

Aerodinâmica de um F1 na pista

O teste de pista é basicamente uma validação dos processos WT e CFD, mas o resultado pode ou não apresentar uma boa correlação. Isso demonstra a qualidade dos processos. O carro no teste é equipado com vários sensores, por exemplo, células push-rod, scanners de pressão estática, sondas pitot e yaw, lasers de altura de condução, potenciômetros de suspensão, sensores de ângulo de deslizamento, sensores de temperatura de freio, temperaturas de unidade de potência e deflexões de componentes. O objetivo é realizar uma análise completa dos dados onde estão presentes a altura do carro, a velocidade do carro, a pressão, a guinada, a direção e a rolagem. Assim, é possível verificar como o carro se comporta nas principais situações, já testadas em ambiente WT e CFD. Neste ponto, as torneiras de pressão têm um papel importante.

Outra ferramenta importante que os testes de pista podem permitir são os mapas aerodinâmicos, as alturas de percurso são correlacionadas com os tempos de volta ou entre as alturas de percurso dos eixos traseiro e dianteiro. O objetivo é medir a velocidade do vento. Com essas informações é possível calcular a pressão dinâmica, definir a direção do vento e sua intensidade. Essas informações permitem entender o comportamento do veículo em determinados pontos da pista, pois afetam a estabilidade do carro.

A última parte analisada no teste de pista e na análise CFD são os pneus. Na F1 existe apenas um fornecedor, este compartilha as informações necessárias com as equipes. Portanto, os pneus são uma espécie de caixa preta, o que significa que, uma vez que as entradas são conhecidas, as saídas são conhecidas. Na verdade, em termos de pneus, as saídas podem ser estimadas. No caso dos pneus, tanto o CFD quanto o teste de pista são importantíssimos, pois a troca de calor naquela região é fundamental para manter o pneu na pressão e temperatura corretas. Portanto, os sensores de temperatura do freio são importantes fontes de informação durante o teste de pista para correlacionar com simulações de CFD.

Referências

• Este artigo é baseado nas notas escritas pelo autor durante a palestra da Haas durante o curso de Aerodinâmica Industrial cursado na Dallara Academy.