Aerodynamic package of a formula student racing car
Creators: name: Seppey, Romain
name: Sütsch, Aaron
Publisher: name: ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften
Year: 2023
Subjects: 629: Luftfahrt- und Fahrzeugtechnik

description: Formula Student is the largest engineering competition in the world. Student teams design and create their race cars to participate in events that take place worldwide. Zurich UAS Racing competes in these events with a new racing car each year and thus needs continuously improved mechanical and electrical systems. The aerodynamic package of the 2022/2023 car was designed by several team members in previous projects mainly by means of Computational Fluid Dynamics (CFD). This thesis aims to validate the results obtained by building a 1:4 scale model of the car and testing it in the low-speed wind tunnel of the ZHAW School of Engineering. The model was fitted with modular axles, which allowed an investigation of the influence of the ride heights (RH) and rake angles (RA). For this purpose, a study of the forces acting on the model was conducted, as well as of the pressure distribution along the underbody and airflow visualisation. Additionally, a CFD simulation of the scale model were conducted to compare it with the results obtained experimentally. Measurements were done between 17 and 23 m/s to investigate the effect of changing Reynolds number on downforce and drag. To represent reality as accurately as possible, the results with the highest Reynolds numbers were used to compare the overall performance. The results reveal the influence of the model configuration on downforce and drag, further indicating that increasing RA leads to increased downforce, with the highest efficiency achieved at RA 3°. Furthermore, the RA has a larger influence at lower RH, where the performance can be increased up to 10%. The pressure distribution analysis along the underbody demonstrates the effectiveness of the infuser and diffuser for different RH and RA. The qualitative analysis of flow visualisation using tufts helps comprehending the behaviour of the airflow around the model and determining potential turbulent or separated flow regimes. Overall, the results obtained from this comprehensive investigation contribute to a deeper understanding of this year’s Zurich UAS Racing Formula Student racing car performance and provide valuable insights for optimising the setup. Despite some divergences with respect to the CFD simulations, attributable to a variety of factors, the results are comparable and thus valid.
description: Formula Student ist der grösste Ingenieurwettbewerb der Welt. Studententeams entwerfen und konstruieren ihre Rennwagen für die Teilnahme an Veranstaltungen, die weltweit stattfinden. Zurich UAS Racing nimmt jedes Jahr mit einem neuen Rennwagen an diesen Veranstaltungen teil und benötigt daher ständig verbesserte mechanische und elektrische Systeme. Das aerodynamische Paket des Rennwagens 2022/2023 wurde von mehreren Teammitgliedern in früheren Projekten hauptsächlich mit Hilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD) entworfen. Diese Arbeit zielt darauf ab, die erzielten Ergebnisse zu validieren, indem ein Modell des Fahrzeugs im Massstab 1:4 gebaut und im Niedergeschwindigkeits-Windkanal der ZHAW School of Engineering getestet wird. Das Modell wurde mit modularen Achsen ausgestattet, was eine Untersuchung des Einflusses der Ride Height (RH) und des Rake Angles (RA) ermöglichte. Dazu wurde eine Studie der auf das Modell wirkenden Kräfte, der Druckverteilung entlang des Unterbodens und der Strömungsvisualisierung durchgeführt. Außerdem wurden CFD-Simulationen des massstabsgetreuen Modells durchgeführt, um die Ergebnisse mit den experimentell gewonnenen zu vergleichen. Es wurden Messungen zwischen 17 und 23 m/s durchgeführt, um die Auswirkungen einer Änderung der Reynoldszahl auf den Abtrieb und den Luftwiderstand zu untersuchen. Um die Realität so genau wie möglich abzubilden, wurden die Ergebnisse mit den höchsten Reynoldszahlen zum Vergleich der Gesamtleistung herangezogen. Die Ergebnisse zeigen den Einfluss der Modellkonfiguration auf den Anpressdruck und den Luftwiderstand und weisen darauf hin, dass eine Erhöhung des RA zu einem erhöhten Anpressdruck führt, wobei die höchste Effizienz bei RA 3° erreicht wird. Darüber hinaus hat der RA einen größeren Einfluss bei niedrigeren RH, wo die Leistung um bis zu 10% gesteigert werden kann. Die Druckverteilungsanalyse entlang des Unterbodens zeigt die Effektivität des Infusors und des Diffusors für verschiedene RH und RA. Die qualitative Analyse der Strömungsvisualisierung mit Hilfe von Tufts hilft, das Verhalten der Luftströmung um das Modell zu verstehen und potenzielle turbulente oder getrennte Strömungsregime zu bestimmen. Insgesamt tragen die Ergebnisse dieser umfassenden Untersuchung zu einem tieferen Verständnis der Leistung des diesjährigen Zurich UAS Racing Formula Student-Rennwagens bei und liefern wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung des Setups. Trotz einiger Abweichungen gegenüber den CFD-Simulationen, die auf verschiedene Faktoren zurückzuführen sind, sind die Ergebnisse vergleichbar und damit gültig.