Formula 1'de Esnek Ön Kanatların Aerodinamiğe Etkileri

Abstract

Bu tez, yüksek hızlı kara taşıtları için tasarlanmış esnek bir ön kanadın aerodinamik ve yapısal performansını incelemekte ve aerodinamik yükler altında meydana gelen yapısal şekil değişiminin potansiyel faydalarını nicel olarak değerlendirmeyi amaçlamaktadır. Çalışmada, hem rijit (orijinal) hem de şekil değiştirmiş (esnek) kanat konfigürasyonlarının farklı araç hızlarında karşılaştırılması için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) ve Sonlu Elemanlar Analizi (FEA) içeren eşleştirilmiş bir sayısal yöntem uygulanmıştır. ANSYS Fluent ve ANSYS Mechanical yazılımları birlikte kullanılarak, aerodinamik kuvvetlerle yapısal deformasyon arasındaki etkileşim (akışkan–yapı etkileşimi, FSI) yüksek doğrulukla modellenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, araç hızı arttıkça aerodinamik sürükleme kuvveti ve yere basma kuvveti, hızın karesiyle orantılı olarak artmaktadır. Ancak, esnek kanat her hızda daha düşük sürükleme kuvveti üretirken, yere basma kuvvetinde ise benzer veya çok az azalmayla karşılaştırılabilir seviyeler korunmuştur. Özellikle 300 km/s hızda, esnek kanatta sürükleme kuvveti %12,8 oranında azalırken, kaldırma/sürükleme oranı (L/D) 5,37'den 5,95'e yükselmiştir. Ayrıca, kanadın öne bakan alanı (frontal alanı) esnek yapı sayesinde %4,8'e kadar azalmış ve bu azalma 19,1 mm'lik maksimum deformasyonla doğrudan ilişkilendirilmiştir. Bu geometrik değişiklikler, aerodinamik verimliliği artırarak yüksek hızlarda daha düşük dirençle hareket edilmesini sağlamıştır. vi Ayrıca, teorik bir analiz ile bu aerodinamik iyileşmenin araca sağlayacağı maksimum hız artışı hesaplanmıştır. Sabit motor gücü varsayımı altında yapılan güç-direnç dengelemesi ile, esnek kanadın sağladığı sürükleme azalımı yaklaşık 10,5 km/s'lik bir hız kazancına karşılık gelmektedir. Bu da pasif yapısal esneklik kullanılarak, karmaşık aktif kontrol sistemlerine ihtiyaç duymadan aerodinamik performansın artırılabileceğini göstermektedir. Sonuç olarak, bu çalışma, ön kanat tasarımında yapısal esnekliğin aerodinamik avantajlar sağlayabileceğini ortaya koymuş ve bu tür tasarımların yüksek hızlı araçlarda uygulanabilirliğini desteklemiştir. Gelecek çalışmalarda, zamana bağlı FSI simülasyonları, deneysel doğrulama, gelişmiş malzeme modellemeleri ve araç dinamiği entegrasyonu gibi alanlara odaklanılarak, esnek kanat teknolojilerinin performansa olan katkısının daha da artırılması önerilmektedir.

This thesis investigates the aerodynamic and structural performance of a flexible front wing designed for high-speed ground vehicles, with a focus on quantifying the benefits of structural deformation under aerodynamic loading. A coupled numerical approach involving Computational Fluid Dynamics (CFD) and Finite Element Analysis (FEA) was employed to analyze both rigid (original) and flexed wing configurations across multiple vehicle speeds. The workflow integrates ANSYS Fluent and ANSYS Mechanical to simulate the interaction between aerodynamic forces and structural deflection, capturing the fluid–structure interaction (FSI) effects with high fidelity. Results show that as vehicle speed increases, both drag and downforce rise due to the quadratic dependence of aerodynamic forces on velocity. However, the flexible wing consistently exhibits reduced drag while maintaining comparable downforce levels. At 300 km/h, the flexed configuration achieved a 12.8% drag reduction compared to the rigid wing, with a corresponding improvement in the lift-to-drag ratio from 5.37 to 5.95. The frontal area of the wing decreased by up to 4.8% due to downward deflection, measured at 19.1 mm at maximum speed. These geometric changes contributed directly to aerodynamic efficiency gains. iv A theoretical analysis was performed to estimate the resulting top speed improvement. By applying drag-based power balance equations and assuming constant engine output, it was shown that the observed drag reduction would translate into an approximate 10.5 km/h increase in top speed. These findings demonstrate that structural flexibility can be harnessed to enhance aerodynamic performance without the complexity of active control systems. The study concludes that incorporating compliant aerodynamic structures can offer measurable performance advantages in high-speed vehicle applications. Future work is recommended in the areas of transient FSI simulations, experimental validation, advanced material modeling, and vehicle-level performance integration to fully realize the potential of flexible wing designs.