Experimental-numerical assessment of drag reduction in a F1 rear wing through mainplane deformation

The present study focuses on conducting a wind tunnel experimental investigation to measure the drag reduction of a Formula 1 rear wing, achieved through the mainplane deformation at high speeds. The objective is to demonstrate how the implementation of a flexible wing can enhance the performance at high speeds by acting on the reduction of the loads, especially drag, while maintaining a behaviour similar to the rigid one at lower speeds. Initially, the wing geometry is designed in accordance with the 2021 F1 regulations using a computer-aided design (CAD) software. To determine the appropriate materials for the wind tunnel model and assess the loads generated, preliminary estimations are performed using the computational fluid dynamics (CFD) to extract the aerodynamic forces, and the finite element method (FEM) for the structural behaviour. Subsequently, a 1:2 scale physical model of the wing is manufactured for experimental testing. The experimental tests are conducted at the De Ponte wind tunnel of the Politecnico di Milano, focusing on two types of measurements: force measurements and deformation measurements. A six component external balance is employed for the force measurements, while a motion tracking system, characterized by four cameras and twenty seven markers, is utilized to quantify the displacements and measure the wing deformation. To better characterize the physics of the problem, two final CFD simulations are performed on the basis of the wind tunnel acquired data. Through the comparison between experimental and numerical findings, this study shows the influence of flexibility on the aerodynamic forces acting on the rear wing. The results demonstrate how the deformation of the mainplane can effectively reduce the drag and enhance the overall performance of the wing at high speeds, particularly on straights, where it is more important to maximise the speed rather than the loads generated.

Il seguente studio si pone l'obbiettivo di misurare sperimentalmente in galleria del vento la riduzione di resistenza aerodinamica di un'ala posteriore di Formula 1, ottenibile attraverso la deformazione del profilo principale alle alte velocità. Lo scopo è quello di dimostrare come l'utilizzo di un'ala flessibile sia in grado di migliorare le performance aerodinamiche alle alte velocità agendo sulla riduzione dei carichi, pur mantenendo un comportamento simile a quello di un'ala rigida a velocità più basse. Inizialmente, la geometria dell'ala è stata progettata in conformità al regolamento del campionato di F1 del 2021 attraverso l'utilizzo di un software CAD. Al fine di determinare i materiali appropriati per il modello sperimentale e stimare i carichi generati, delle simulazioni preliminari sono state svolte con la CFD, per quanto riguarda la parte aerodinamica, e la FEM per la parte strutturale. In seguito a questa prima fase di design un modello in scala 1:2 è stato realizzato per le prove sperimentali. Le prove sperimentali sono state svolte all'interno della galleria del vento De Ponte presso il Politecnico di Milano, concentrandosi su due tipi di misurazioni: misure di forza e di deformazione. Per le prime è stata utilizzata una bilancia esterna a sei componenti, per le misure di deformazione invece è stato fatto uso di un sistema di motion tracking, caratterizzato da quattro telecamere e ventisette markers, per valutare gli spostamenti strutturali. Al fine di approfondire maggiormente la fisica del problema, due simulazioni CFD finali sono state svolte sulla base dei dati acquisiti in galleria. Attraverso il confronto tra risultati sperimentali e numerici, questo studio mette in luce l'influenza della flessibilità strutturale sulle forze areodinamiche agenti su un'ala posteriore di Formula 1. I risultati confermano le ipotesi di partenza dimostrando come la deformazione del profilo principale possa efficacemente ridurre la resistenza e migliorare le prestazioni complessive dell'ala alle alte velocità, in particolare sui rettilinei, dove è più importante massimizzare la velocità piuttosto che i carichi generati.