Auf der Überholspur

Exklusiv in KEM Der Autor: Enrico Cardile, Aerodynamics and Thermal Management Manager, Ferrari S.p.A, Maranello

Ferraris GT2-Modell 2013 war der 458 Italia GT2, basierend auf dem 458 Italia. Die Form der Karosserie führt zur Entstehung von Auftriebskräften. Deshalb musste der Unterbau so ausgelegt werden, dass Anpressdruck bzw. negative Auftriebskräfte erzeugt werden, um das Brems- und Kurvenverhalten zu verbessern, ohne den Luftwiderstand zu erhöhen. Ferrari erreichte dies durch Glättung des Unterbodens und Hinzufügen von Diffusoren am Fahrzeugheck, um Luftgeschwindigkeit und dadurch den Massenstrom unter dem Fahrzeug zu erhöhen. Diffusoren bewirken, dass Luft von der Fahrzeugunterseite ausströmt, sodass der Luftstrom beschleunigt und der Luftdruck unter dem Fahrzeug verringert wird. Die resultierende Druckdifferenz saugt das Fahrzeug an den Boden.

Testreihen im Windkanal dauern bis zu vier Wochen – in der gleichen Zeit können auch mehr als 100 CFD-Simulationen durchgeführt und wesentlich mehr aerodynamische Alternativen beurteilt werden, was in erheblichen Verbesserungen der Leistungsfähigkeit resultiert, die für die vielen Rennsiege von Ferrari eine wesentliche Rolle gespielt haben. Dabei erstellt ein Berechnungsingenieur, basierend auf einer gegebenen CAD-Geometrie, das Oberflächengitter per Hand. Ein Automatisierungsskript generiert ein Volumengitter auf Basis dieses Oberflächengitters, legt die Randbedingungen des CFD-Lösers fest und führt alle weiteren Simulationsprozesse selbständig durch. In frühen Stadien des Designprozesses beurteilten die Berechnungsingenieure die vorgeschlagenen Designs einzeln nacheinander und untersuchen die Strömungsgeschwindigkeit und -richtung sowie die um die Karosserie herrschenden Druckverhältnisse, um das Verhalten der Konstruktion zu verstehen und zu verbessern.

Wurde ein allgemeines Verständnis der Strömungsmuster und wesentlichen Designparameter gewonnen, folgt ein sogenanntes „Design of Experiments“ (DOE) mit dem Optimierungstool Modefrontier, das Hunderte Simulationen zur Beurteilung des Designraums automatisch durchführt. Durch verschiedene Optimierungsalgorithmen konnte der Designraum mit minimalem Rechenaufwand untersucht und durch genetische Algorithmen eine Gruppe von vielversprechenden Design-Kandidaten identifiziert werden. Bei der Simulation auf einem High-Performance Computing (HPC)-Rechencluster unterteilte Ansys Fluent das Rechengitter und die Daten in mehrere Partitionen und wies jede Partition einem anderen Rechenknoten zu, was die Rechenzeit stark verkürzte.

Die Lage der Fahrzeugkomponenten schränkt den aerodynamischen Designspielraum oft ein. Beispielsweise definieren Rahmen und Schalldämpfer die maximale Ausdehnung des Heckdiffusors. Deshalb optimierte das Tool nur Übergangswinkel und -krümmungen im Diffusor, die ohne Störungen eingefügt werden konnten. Manchmal entfernte das Aerodynamik-Team definierte geometrische Einschränkungen, um festzustellen, ob ein erweiterter Designraum mit mehr Freiheitsgraden weitere Verbesserungen erzielen kann und erarbeitete gemeinsam mit dem Design-Team ein neues Design. Um den Anpressdruck weiter zu erhöhen, wurde zudem der Kühllufteinlass und -auslass der Bremsen optimiert. Die komplexe Geometrie der Bremsen erschwerte hier die Beurteilung im Windkanal, sodass diese fast vollständig per CFD-Simulation gestaltet wurden. Die CFD-Analyse zeigte, dass sogar die Form der Seitenspiegel in enger Wechselwirkung mit der Form des Motorlufteinlasses steht, weshalb die Entwickler die Spiegelform am 2014 GT2 veränderten, um ohne Kompromisse das beste Verhalten für den Motorlufteinlass zu erzielen.

Die Entwickler des in Kleinserie hergestellten Hybrid-Sportwagens Laferrari optimierten dessen Aerodynamik ebenfalls mit Ansys Fluent und sparten mit über 1000 CFD-Simulationen 40 bis 50 Stunden Windkanaltests ein. Der Laferrari besitzt im Front- und Heckbereich aktive, die Aerodynamik beeinflussende Baugruppen, die den Anpressdruck erhöhen und den Luftwiderstand reduzieren. Mit einem DOE wurde das aerodynamische Verhalten bei verschiedenen Fahrzeuggeschwindigkeiten, bei verschiedenen Nick-, Kipp- und Gierwinkeln sowie bei verschiedenen Klappenstellungen in Frontdiffusoren und Kühler untersucht. HPC-Lösungen von Ansys einschließlich neuer Software-Entwicklungen, wie verbesserte parallele Skalierbarkeit für sehr große Simulationsfälle und Unterstützung paralleler Dateisysteme, erlaubten die Verbesserung der Fahrzeugaerodynamik und -leistung unter Einhaltung der Entwicklungszeitpläne.

Sowohl beim GT2 als auch bei Laferrari wurden die zeitsparenden CFD-Simulationen mit Windkanaltests kombiniert um das durch Simulation optimierte Design zu verifizieren und validieren. Die zahlreichen Siege von Ferrari der letzten Jahre in verschiedenen Le Mans-Rennserien zeugen vom Erfolg dieser Herangehensweise. I

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