Wie Ferrari die Aerodynamik optimiert Dynamisch umströmt

Mit einer Kombination aus weitgehend automatisierter Strömungssimulation, Windkanaltests und zahlreichen Designvariationen optimierten die Ingenieure der Ferrari S.p.A. die Aerodynamik ihrer Rennwagen. Damit werden die Boliden schneller, zuverlässiger und auch sicherer. Wie etwa das 2013er-GT2-Modell «458 Italia GT2», das auf dem Ferrari 458 Italia basiert, oder dem «LaFerrari».

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Die Form der Karosserie führte zur Entstehung von Auftriebskräften und musste optimiert werden. 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. Das erhöht die Luftgeschwindigkeit und dadurch den Massenstrom unter dem Fahrzeug. Diffusoren bewirken, dass Luft von der Fahrzeugunterseite ausströmt, so dass der Luftstrom beschleunigt und der Luftdruck unter dem Fahrzeug verringert wird. Die resultierende Druckdifferenz saugt das Fahrzeug an den Boden.

Designparameter verstehen

Die Testreihen im Windkanal dauern bis zu vier Wochen. In der gleichen Zeit können 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 von Hand. Ein Automatisierungsskript generiert ein Volumengitter auf Basis des Oberflächengitters, legt die Randbedingungen des CFD-Lösers fest und führt alle weiteren Simulationsprozesse selbstständig durch. In frühen Stadien des Designprozesses beurteilen die Berechnungsingenieure die vorgeschlagenen Designs einzeln nacheinander, untersuchen die Strömungsgeschwindigkeit und -richtung sowie die um die Karosserie herrschenden Druckverhältnisse, um das Verhalten der Konstruktion zu verstehen und zu verbessern.

«Design of Experiments»

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 Designkandidaten 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. Ansys Fluent stellt umfassende physikalische Modellierungsmöglichkeiten zur Verfügung, die für die Analyse von Strömungen, Turbulenzen, Wärmeübertragung und Reaktionen von physikalischen Anwendungen benötigt werden.

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