Multi-fidelity optimization procedure for a two-element Formula 1 rear wing

The use of high-fidelity methods to optimize a wing configuration is certainly one of the most reliable way to have accurate results. However, these methods are time-consuming, require high computational costs and sometimes there are some constraints on how long these tools can be used, as in Formula 1. This work aims to design a multi-fidelity optimization procedure for a two-element Formula 1 rear wing that uses mostly low-fidelity methods and relies on a high-fidelity tool, as the CFD simulations, only for the last step, allowing to save time and computational costs. It is important to use airfoils that suit the application case. Therefore, the first step of the procedure consists in a method to choose the main and flap using a classification scheme that ranks the airfoil based on the most important aerodynamic coefficients. The low-fidelity analysis has to be done considering all the mutual effects that there could be in a tandem profiles configuration. For this reason was used an adapted panel method, which allowed to study both elements together in the configuration. Besides this, was added a viscous patch to have a complete analysis and have also information on the drag and separation points on the airfoils. The last step involves the optimization that was done first using the low-fidelity solver and a gradient based method to have multiple local minimums and finally analyzing these optimized configurations with the CFD simulations to find the one that has the best lift to drag ratio, used as fitness function. The results obtained suggest that this procedure was able to give back, in a relative short time, multiple minimums to analyze further with CFD. These configurations were already optimized and represent a good starting point, confirming that lot of time and computational cost can be saved.

L’utilizzo di metodi ad alta-fedeltà per ottimizzare la configurazione di un’ala è certa mente uno dei modi più affidabili per avere risultati accurati. Tuttavia, questi metodi sono molto dispendiosi sia in termini di tempo che di costi computazionali. Inoltre, a volte ci sono dei limiti su quanto tempo questi strumenti possono essere usati, come in Formula 1. Questo lavoro si propone di progettare una procedura di ottimizzazione di multi-fedeltà per un alettone posteriore di Formula 1 usando prevalentemente metodi a bassa accuratezza e affidandosi a strumenti ad alta accuratezza come le simulazioni CFD solo per l’ultimo step, permettendo di salvare tempo e costi computazionali. Usare i giusti profili aerodinamici per il caso applicativo è importante. Per questo motivo, la prima fase della procedura consiste in un metodo per scegliere i profili di main e flap usando uno schema a classifica che ordina i profili in base ai coefficienti aerodinamici più rilevanti. L’analisi a bassa accuratezza deve essere fatta considerando tutti i mutui effetti che possono esserci in una configurazione di profili in tandem. Perciò è stato usato un metodo a pannelli adattato, il quale ha permesso di studiare entrambi i profili insieme. A questo è stato affiancato un solutore viscoso per avere un’analisi più completa e avere informazioni anche sulla resistenza e i punti di separazione sui profili. L’ultimo passaggio coinvolge l’ottimizzazione che è stata fatta prima usando i solutori a bassa accuratezza e un metodo al gradiente per avere diversi minimi locali, i quali sono stati successivamente analizzati con simulazioni CFD per individuare la configurazione ottimizzata che è carat terizzata dalla migliore efficienza, usata come funzione obbiettivo. I risultati ottenuti suggeriscono che questa procedura è stata in grado di restituire, in un tempo relativamente breve, diversi minimi da analizzare ulteriormente con la CFD. Queste configurazioni erano già state ottimizzate e rappresentano un buon punto di inizio, confermando che possono essere risparmiati tanto tempo e costo computazionale.