Numerical investigation of the aerodynamic performance of an F1 Rear Wing equipped with an active Drag Reduction System by a Chimera approach

This thesis investigates the aerodynamic performance of a Formula 1 rear wing equipped with an active Drag Reduction System (DRS), with particular focus on both steady-state characteristics and transient behaviour. The study employs steady and unsteady Reynolds-Averaged Navier–Stokes (RANS) simulations using the Overset Mesh technique (also known as Chimera) within the ROSITA framework. The rear wing CAD model was adapted to match geometries previously tested in the wind tunnel and simplified to ensure compatibility with the Chimera approach. A multi-block strategy was adopted for grid generation, enabling accurate resolution of boundary layers and wake regions while maintaining computational efficiency. Preliminary analyses confirmed grid and time-step independence, and the Overset method was validated against a single-grid reference case. Simulations were first carried out at 30 m/s to validate the numerical methodology against pre-existing experimental data, and then extended to 50 m/s, the maximum velocity attainable in F1 wind tunnels. Both steady and unsteady simulations showed satisfactory agreement with the experimental trends. At nominal velocity, the aerodynamic benefits of DRS activation were reductions of 36% in downforce and 44% in drag. Unsteady simulations allow to resolve the transient aerodynamic loads during flap actuation. The opening phase was found to produce strong load peaks, associated with rapid gap expansion and the onset of flow separation, followed by a relaxation towards steady conditions within approximately 0.6 s, consistent with experimental estimates. From these transient loads, the forces acting on the actuator were derived, revealing values close to the component’s rated capacity and thus explaining limitations observed experimentally at higher speeds. A parametric analysis of different actuation times further showed that faster manoeuvres intensify the aerodynamic loads, underlining the critical role of transient effects in the design and operation of DRS systems. Finally, the vorticity distribution at different sections along the wake was analysed to identify the best laser sheet position for future PIV measurements.

Questa tesi indaga le prestazioni aerodinamiche di un’ala posteriore di Formula 1 dotata di Drag Reduction System (DRS), con particolare attenzione sia alle caratteristiche stazionarie sia al comportamento transitorio. Lo studio si basa su simulazioni RANS, stazionarie e instazionarie, condotte con la tecnica Overset Mesh (nota anche come Chimera) tramite il software ROSITA. Il modello CAD dell’ala è stato adattato per riprodurre la geometria precedentemente testata in galleria del vento e semplificato per garantire la compatibilità con l’approccio Chimera. Per la generazione delle griglie è stata adottata una strategia multi-blocco, in grado di risolvere accuratamente gli strati limite e le regioni di scia mantenendo un’efficienza computazionale adeguata. Analisi preliminari hanno confermato l’indipendenza dei risultati rispetto al passo temporale e al raffinamento della griglia, mentre il metodo Overset è stato validato con un caso di riferimento a griglia singola. Le simulazioni sono state inizialmente eseguite a 30 m/s per validare la metodologia numerica con dati sperimentali preesistenti, per poi essere estese a 50 m/s, la massima velocità raggiungibile nelle gallerie del vento di Formula 1. Sia le simulazioni stazionarie che quelle instazionarie hanno mostrato una buona concordanza con le misure sperimentali. Alla velocità nominale, i benefici aerodinamici dell'attuazione del DRS sono stati quantificati in una riduzione del 36% della deportanza e del 44% della resistenza. Le simulazioni instazionarie hanno permesso di analizzare i carichi aerodinamici durante l’attuazione del flap. La fase di apertura ha mostrato picchi di carico significativi, associati alla rapida crescita del gap tra i profili e all’insorgenza di una separazione, seguita da una stabilizzazione di circa 0.6 s, in accordo con le stime sperimentali. Dai carichi transitori è stata derivata la forza agente sull’attuatore, rivelando valori prossimi alla massima capacità del componente e spiegando così le difficoltà riscontrate sperimentalmente alle velocità più elevate. Un’analisi parametrica su differenti tempi di attuazione ha mostrato come manovre più rapide intensifichino i carichi aerodinamici, sottolineando il ruolo cruciale degli effetti transitori nella progettazione e nell’impiego dei sistemi DRS. Infine, un’analisi della distribuzione di vorticità a diverse sezioni lungo la scia è stata eseguita per identificare la migliore posizione del fascio laser per future misure PIV.