The influence of endplate geometry and tip structure on wheel wake aerodynamics

The present study focuses on investigating the aerodynamic interaction between the endplate, blended to a three-element front wing, and a wheel in ground effect regarding the Formula 1 regulations change set for 2022. The simplification of the aerodynamic design, by reducing the several components on the car, is one of the main changes. The project purpose was accomplished by conducting a three-dimensional computational analysis; a steady RANS simulation approach was adopted on a simplified one-quarter CAD model, built from the ground up following the regulations imposed by the FIA. The aim of this thesis was to investigate how changing the front wing pressure distribution affected wheel aerodynamics, which due to its proximity to the chassis will, in turn, influence the underbody’s feeding process. This was completed by varying the endplate geometry, testing several layouts: canard height, canard angle of attack, endplate side shape and footplate addition. The CFD study aimed at analysing and comprehending the flow over the wing and then over the wheel by determining the flow mechanism and energy losses. For the footplate case, in addition, a force analysis over the front wing has been carried since it showed a significant efficiency variation than the other sets. The flow investigation demonstrated that the wheel wake structure is considerably influenced by the endplate configuration displaying different behaviour for each set considered. This is related to changes in positions and strength of the vortices shedding from the endplate and flowing around the wheel. These variations then directly disturb the wheel wake, exhibiting different swirling structures which evolve in disparate ways and affect the underbody’s efficiency.

Il seguente studio ha l’obiettivo di analizzare l’interazione aerodinamica in effetto suolo tra un’endplate, congiunta ad un’ala frontale di tre elementi, e uno pneumatico di una vettura di Formula 1, rispettando il nuovo regolamento che sarà introdotto dalla stagione 2022. Una delle principali e più drastiche novità riguarderà l’aerodinamica, la quale diventerà molto più semplice a seguito della minor complessità dei vari componenti. L’obiettivo di questa tesi è stato raggiunto conducendo un’analisi numerica tridimensionale; il modello utilizzato per lo studio è un CAD semplificato, disegnato seguendo le limitazioni imposte dalla FIA. La fase di simulazione numerica, è stata svolta impiegando delle RANS stazionarie. Lo scopo di questo progetto è di osservare come una variazione del campo di pressione nei pressi dell’ala frontale influenzi l’aerodinamica dello pneumatico e, vista la vicinanza di quest’ultimo con il telaio, il processo di alimentazione del sottoscocca. Per condurre questo tipo di analisi, sono state analizzate molteplici geometrie dell’endplate: l’altezza del canard, l’angolo di attacco dello stesso, il profilo laterale dell’endplate e l’aggiunta di una footplate. L’indagine ha come scopo quello di comprendere e analizzare il flusso attorno a questi componenti determinando i meccanismi principali e le perdite di energia. Inoltre per quanto riguarda il caso con la footplate, è stata condotta un’analisi delle forze sull’alettone frontale, in quanto questa configurazione ha manifestato un’importante variazione delle forze agenti sull’ala rispetto agli altri casi. La ricerca ha dimostrato che la scia prodotta dallo pneumatico è influenzata in maniera significativa dalla struttura dell’endplate, mostrando diversi comportamenti a seconda della geometria analizzata. Queste differenze sono associate alle diverse posizioni e intensità dei vortici che diffondono dall’ala e interagiscono con la ruota, influenzando direttamente la scia dello pneumatico e l’efficienza del sottoscocca.